SlideShare uma empresa Scribd logo
SISTEMAS DE CONTROLE I
Dr. Miguel A. Rodríguez Borroto
Escola Superior de Tecnologia (EST)
Universidade do Estado de amazonas (UEA)
e-mail: #1. mrb1940@gmail.com
CONFERENCIA 2
Modelagem Matemático da Dinâmica de Sistemas
(Primeira parte)
CONTEUDO
• Introdução ao modelagem matemático de sistemas.
• Conceitos de função de transferência e resposta ao impulso .
• Representação do modelo de sistemas físicos mediante diagramas
de bloco.
• Conclusões.
OBJETIVOS
• Familiarizar-se com os fundamentos da modelagem de sistemas
físicos.
• Conhecer os conceitos de função de transferência e resposta ao
impulso de um sistema lineal.
• Familiarizar-se com a representação do fluxo do sinais em um
sistema mediante um diagrama de bloco do modelo.
• Conhecer e aplicar a definição e algumas regras de representação
e simplificação dos diagramas de bloco.
Introdução à modelagem de sistemas
Para estudar os sistemas de controle, diga-se analisar suas
características e realizar seu projeto, precisa-se primeiramente modelar
matematicamente o sistema.
O modelo matemático define-se como o conjunto de equações e
expressões matemáticas que descrevem acertadamente, ou ao menos
aproximadamente bem, as características de desempenho do sistema.
Há modelos e Modelos de sistemas físicos, ou seja, o modelo não é
único; o sistema pode ser modelado de varias maneiras, de acordo com
as perspectivas de sua utilização.
Os sistemas podem ser físicos: mecânicos, elétricos, térmicos, etc.
podem ser econômicos, podem ser biológicos, etc., e eles podem ser
descritos por equações integro-diferenciais e outras expressões
matemáticas.
Essas equações podem ser obtidas mediante as leis físicas que regem
no sistema. Ex. as leis de Newton, Kirchhoff, etc.
Introdução à modelagem de sistemas
Modelos matemáticos: Podem ser de diferentes formas; em
dependência do sistema particular e das circunstancias, um modelo pode
ser melhor que outro.
Por exemplo: em controle ótimo é melhor usar a representação do
modelo em variáveis de estado; embora, no analise da resposta temporal
de sistemas SISO lineares, invariantes no tempo, é melhor usar o modelo
baseado em funções de transferência e aplicar os métodos de resposta
de frequência o localização das raízes, auxiliado das ferramentas
computacionais.
Introdução à modelagem de sistemas
Simplicidade versus exatidão: Há uma frase que diz: “as cosas tem
que ser tão boa como seja necessário e não tão boa como seja possivel
fazer-la”.
Há modelos e modelos, mas não é mesmo desenvolver um modelo que
descreva o desempenho da insulina na sangue do ser humano quando
om mesmo recebe a insulina e outros remédios, que desenvolver um
modelo para descrever o desempenho do fluxo em uma tubaria, ou a
temperatura de um forno, ou a concentração de oxigeno na combustão
em uma usina termelétrica, ou a velocidade da ferramenta numa máquina
de ferramentas, etc, etc.
Em geral, ao solver um novo problema, temos primeiro que elaborar um
modelo o mais simplificado possível, mas que cumpra com as
especificações quanto a descrição das características do sistema, ou
seja com a exatidão necessária.
Normalmente os processos são não lineares e os modelos que os
descrevem também, mas industrialmente se precisa que eles trabalhem
em um entorno pequeno da variável de saída.
Introdução à modelagem de sistemas
Sistemas lineares: Um sistema se diz linear se o mesmo cumpre com o
principio da superposição, o seja, a saída do sistema, como resposta a
vários sinais de entrada, pode-se calcular somando as respostas
individuais para cada entrada.
Nos sistemas lineares existe uma relação causa-feito entre entrada e
saída que é linear.
A vezes se adopta a definição seguinte: um sistema é linear se ele pode
ser descrito por um modelo linear.
Por exemplo: Os sistemas cujos modelos são:
a)
b)
dt
tdu
tuty
dt
tdy
dt
tyd )(
)()(5
)(
4
)(
2
2

)()(3
)(
2
)()(
2
2
3
3
tuty
dt
tdy
dt
tdy
dt
tyd

Introdução à modelagem de sistemas
Sistemas lineares invariantes e variantes com o tempo: Um sistema
se diz linear invariante com o tempo se os parâmetros de seu modelo
são constantes.
Um sistema se diz linear variante com o tempo se os coeficientes ou
parâmetros de seu modelo são funções do tempo.
Os exemplo dados anteriormente são ambos os lineares in variante com
o tempo. Mas os modelos seguintes representam sistemas variantes no
tempo:
dt
)t(du
)t(u)t(yt5
dt
)t(dy
t
dt
)t(yd 2
2
2

)t(u)t(y)t2(sen3
dt
)t(dy
e
dt
)t(dy
dt
)t(yd t
2
2
3
3
 
Introdução à modelagem de sistemas
Sistemas não lineares: Se um sistema não cumpre com o principio da
superposição se que o sistema é não linear e o modelo que o representa
tem que ser tb. não linear; assim a resposta de um sistema não linear a
dois sinais de entrada não se pode calcular somando as respostas
individuais.
Exemplos de sistemas não lineares são:
dt
tdu
tuty
dt
tdy
dt
tyd )(
)()(5
)(
4
)(
2
2
2







  0)(
)(
1
)( 2
2
2
 ty
dt
tdy
y
dt
tyd
  0)(
)()( 2
2
2
 ty
dt
tdy
dt
tyd
Introdução à modelagem de sistemas
Em muitos sistemas físicos de todo tipo a relação entre entrada e saída não é
linear, assim nos encontramos com fenômenos de saturação, zona morta,
histereses, jogo libre nos engrenagem, etc. que motivam que o modelo
resultante seja não linear.
A seguir se mostram algumas dessas não linearidades.
Este tipo de não-linearidade se diz que é inerente ao sistema.
Fig. 1
entrada
saída
entrada
saída
entrada
saída
Saturação Zona morta Zona morta histereses
Introdução à modelagem de sistemas
Linearização de Sistemas não lineares: Muitos processos tem que
desenvolver-se (sistemas de regulação) dentro de um entorno pequeno
da vaiável de saída; nestes casos se o sistema resultara não linear o
modelo pode ser linearizado em termos de variações pequenas das
variáveis.
El sistema assim linearizado comporta-se como o sistema original, mas
em um entorno pequeno das variáveis do mesmo.
Para fazer a linearização do modelo se aplica o conceito matemático de
variação de uma variável ou função e para obter o modelo se usa o
desenvolvimento dos termos do modelo em series de Taylor ao redor de
um entorno pequeno do ponto de operação ou ponto de equilíbrio como
tb se conhece.
Mas adiante voltaremos sobre o assunto.
Função transferencial e resposta ao impulso
Em controle automático se usa muito o conceito de função de transferência
para descrever a relação entrada-saída do sistema.
Este conceito se aplica só a sistemas lineares invariantes com o tempo e
fica muito relacionado com outro conceito muito importante tb: a resposta ao
um sinal tipo impulso.
Função transferencial (FT): Se o modelo matemático que representa a
relação que existe entre a saída y e a entrada x de um sistema linear fica
dado pela equação diferencial, ordinária e linear seguinte:
(1)
A FT deste sistema se define a relação que existe entre a transformada de
Laplace da saída e a transformada da Laplace da entrada, baixo a
consideração de que todas as condições iniciais sejam cero (0).
       
 nmxbxbxbxbyayayaya mm
mm
onn
nn
 



 1
1
11
1
10
Função transferencial e resposta ao impulso
Ou seja:
(2)
Mediante o concepto de FT é possível representar a dinâmica do sistema por equações
algébricas na variável complexa s das transformações de Laplace.
Neste caso se diz que o sistema linear descrito por (1) ou (2) é de ordem n.
 
 
)adedecausalidcondição(mn
asasasa
bsbsbsb
)s(X
)s(Y
entradaL
saidaL
)s(GcialtransferenFunção
n1n
1n
1
n
0
m1m
1m
1
m
0
zeroinciaiscondições











Função transferencial e resposta ao impulso
Comentários sobre a FT: O concepto aplicasse a sistemas lineares,
invariantes com o tempo e resulta muito útil no analise e projeto de sistemas
de controle de tais sistemas. A seguir importantes comentários:
1. A FT de um sistema é um modelo matemático onde o método
operacional permite relacionar as vaiáveis do sistema no domínio da
frequência complexa s.
2. A FT é uma propriedade do sistema e não depende da natureza ou
magnitude das entradas ao sistema.
3. A FT não inclui alguma informação sobre a estrutura física do sistema.
Funções transferenciais de diferentes sistemas físicos podem ser
idênticas.
4. Se a FT é conhecida, a saída ou resposta do sistema a qualquer tipo de
sinal de entrada pode ser estudada independente da natureza do
sistema.
5. Se a FT é desconhecida, pode-se estabelecer experimentalmente
introduzindo ao sistema sinais conhecidas de entrada.
Função transferencial e resposta ao impulso
Sistema mecânico: Seja o sistema de controle de altitude de um satélite
como se mostra a seguir:
Fig. 2.
O diagrama mostra só o controle do ângulo de derrape ou guinada (),
embora existem controles dos três eixos.
Função transferencial e resposta ao impulso
Jorros pequenos provocam reações que fazem que o satélite gire. Eles
operam em casais, em posições obliquas tais como A ou B.
Consideremos que o empurre dos jorros seja F/2 e portanto o torque
produzido e aplicado ao sistema é:
Tanto T(t) como F(t) são considerados funções do tempo. Seja J o momento
angular de inercia do satélite respeito ao eixo de giro (centro de massa).
Vamos a obter a FT do sistema considerando que T(t) é o sinal de entrada e
que (t) é o sinal de saída.
Para calcular a FT, procede-se segundo os seguintes passos:
1) Escreve-se a equação diferencial do sistema.
2) Aplicamos a transformada de Laplace considerando as condições
iniciais zero.
3) Toma-se a relação (s)/T(s).
FlT 
Função transferencial e resposta ao impulso
Aplicando a segunda Lei de Newton, considerando que no espaço onde se encontra
o satélite não há atrito se tem:
Aplicando Transformada de Laplace e desprezando condições iniciais:
Por tanto:
)(
)(
2
2
tT
dt
d
J 

)()(2
sTsJs 
2
1
)(
)(
)(
JssT
s
sG 


Função transferencial e resposta ao impulso
Resposta ao impulso: Se sabe de analise de sistemas que a função impulso
o delta de Dirac é uma função singular que tem propriedades muito
específicas, tais como que posei uma amplitude infinita (∞) e tempo de
duração cero (0).
A amplitude da função impulse recebe o nome de esforço do impulso; assim
se o esforço é k se diz que o impulso tem esforço k. Se k = 1 o impulso diz-se
unitário.
Do estudo da matemática operacional, se sabe que transformada de Laplace
da função impulso unitário é 1. Resulta a única função conhecida que cumpre
essa propriedade. Assim:
(3)
Se o impulso tem esforço k então:
(4)
  1)( tL 
  ktkL )(
Função transferencial e resposta ao impulso
Da discussão anterior e tendo em conta a definição de FT temos que:
Se x(t) é um impulso unitário então:
Portanto:
(5)
Portanto:
(6)
Ou seja, a resposta de um sistema linear a um impulso unitário é igual que a
transformada inversa de Laplace de sua FT.
)(
)(
)(
sX
sY
sG 
  1)()(  tLsX 
)(
1
)(
)(
)(
)( sY
sY
sX
sY
sG 
    )()()()( 11
tgsGLsYLty  
Função transferencial e resposta ao impulso
Integral de convolação: Segundo o concepto de FT temos:
(7)
Aplicando transformada inversa de Laplace em ambos os membros se tem:
(8)
Mas, segundo o teorema da convolação da transformada de Laplace se tem:
O qual se conhece como convolação no tempo de g(t) com x(t) e fica dado
por:
(9)
Onde se considera que g(t)=x(t)=0 para t<0
)()()( sXsGsY 
   )()()()( 11
sXsGLsYLty 

  )(*)()()()( 1
txtgsXsGLty  
    
tt
dtxgdxtgtxtgsXsGLty
00
1
)()()()()(*)()()()( 
Função transferencial e resposta ao impulso
Resumindo podemos dizer que a resposta de
qualquer sistema linear invariante no tempo se
pode calcular pela convolação no tempo do sinal
de entrada com a resposta ao impulso do
sistema.
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
O modelo de todo sistema de controle não é mais que um conjunto de
equações diferenciais no domínio temporal o equações algébricas no domínio
da frequência que relacionam as entradas com as saídas do sistema.
Esse conjunto de equações determina as diferentes relações de causa-
efeito que existe entre as variáveis.
Mediante os diagramas de blocos é possível representar o fluxo dos sinais no
sistema. Dai que podamos dizer que um diagrama de bloco é uma
representação gráfica das relações causa-efeito o fluxo de sinais que
tem lugar em um sistema de controle.
Tais diagramas estão formados por blocos funcionais em cada um dos quais
se realiza uma função matemática.
Sistema de Controle. Representação mediante diagramas
de bloco
A seguir se mostra um diagrama de bloco elementar que estabelece a relação que
existe entre dois sinais a traves da FT entre eles.
Fig. 3
Função
Transferencial
G(s)
Sinal de
Entrada
Sinal de
Saída
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Definições: Os diagramas de bloques se constroem de acordo aos pontos de
vista do analise. A seguir se estabelecem as definições dos diferentes
elementos que constituem um diagrama de bloco.
Ponto se soma: Se mostra na Fig. 4 e indica a operação de soma
(subtração).
Fig. 4
a a-b
b
+
-
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Ponto de rama: É um ponto desde o qual o sinal que sai de um bloco pode
viajar para a entrada de outro bloco ou para um ponto de suma. A seguir se
mostra um ponto de rama.
Fig. 5
G(s)
Sinal de
Entrada
Sinal de
Saída
Ponto
de rama
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Diagrama de bloques em malha fechada: A seguir se mostra o diagrama de
blocos de um sistema de controle em malha fechada.
Fig. 6
R(s) C(s)
G(s)
E(s)
+
-
Ponto de
soma Ponto de
rama
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Como funciona o sistema?: O sinal de referencia ou valor desejado na
saída R(s) continuamente se compara por diferencia no ponto se suma com o
sinal de saída C(s) realimentada para obter-se o sinal de erro E(s) sobre o
qual atua o controlador para exercer um sinal corretora que compensa
qualquer efeito perturbador sobre o sinal de saída.
Neste caso o sinal de saída compara-se diretamente com o sinal de
referencia, se disse então que um feedback é unitário.
Mas, geralmente o sinal de saída, velocidade, temperatura, fluxo, nível, etc.
são sinais de engenharia que precisas ser convertidas a sinal elétrica ou
pneumática, nos controladores reais.
De modo que o diagrama de bloco do sistema realimentado é da forma que se
mostra a seguir na Fig. 7.
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Onde o sinal de feedback é representado por H(s), diferente de 1. Este é o
caso mais geral de sistema realimentado.
Fig. 7.
Agora o sinal de feedback é B(s) que segui sendo da mesma natureza que
R(s) (voltagem, corrente, etc.) não é uma magnitude de engenharia
(temperatura, pressão, etc.)
Neste caso H(s) é a FT do passo de feedback, enquanto que G(s) é a FT do
passo direto entre o erro E e a saída C.
R(s) C(s)
G(s)
E(s)
+
-
H(s)
B(s)
Sistema de Controle. Representação mediante diagramas
de bloco
Função transferencial em malha abertas e função transferencial do passo direto: De
acordo com a Fig. 7 se tem:
(10)
E
(11)
Se o feedback é unitário H(s) = 1 e ambas funções de transferência coincidem.
)()(
)(
)(
sHsG
sE
sB
abertamalhadacialtransferenFunção 
)(
)(
)(
sG
sE
sC
diretopasodocialtransferenFunção 
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Função transferencial em malha fechada: Para o sistema da Fig. 7 se tem:
(12)
(13)
Substituindo (13) em (12) resulta:
(14)
De onde resulta:
(15)
Que recebe o nome de FT de malha fechada e fica dada por FT do passo direto/1+FT
da malha aberta
)()()( sEsGsC 
)()()()()()( sCsHsRsBsRsE 
)()()()()()( sCsHsGsRsGsC 
)()(1
)(
)(
)(
sHsG
sG
sR
sC


Sistema de Controle. Representação mediante diagramas
de bloco
Sistema em malha fechada submetido a distúrbio: Seja o sistema em malha
fechada amostrado na Fig. 8 com o distúrbio D(s):
Considerando a referencia zero (R=0) e aplicando o concepto de FT de malha
fechada, dado anteriormente, resulta para a resposta ao distúrbio:
(15)
)()()(1
)(
)(
)(
21
2
sHsGsG
sG
sD
sCD


R(s)
D(s)
G1(s) G2(s)
H(s)
+
-
+
+ C(s)
H(s)
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
De igual forma, considerando D(s) = 0, resulta para a resposta do sistema ao
sinal de referencia R(s):
(16)
A resposta a amos sinais R e D fica dada por:
(17)
De (15) vemos que se: G1(s)H(s)>>1e G1(s) G2(s)H(s) >>1, então a
resposta ao distúrbio CD(s)/D(s)  0
Por outro lado, de (16) vemo-nos que a FT em malha fechada CR(s)/R(s) 
1/H(s) quando G1(s)G2(s)H(s) >>1
)()()(1
)()(
)(
)(
21
21
sHsGsG
sGsG
sD
sCR


 )()()(
)()()(1
)(
)()()( 1
21
2
sDsRsG
sHsGsG
sG
sCsCsC DR 


Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Obtenção de FTs mediante MatLab: No análise de sistemas de controle
normalmente se precisa calcular FTs que ficam em cascata, em paralelo ou
formando uma malha fechada.
O Mat Lab permite permite realizar esses cálculos de maneiram muito
simples. Vejamos:
Suponhamos duas FT dadas por:
Os coeficientes dos polinomios num e den se expresam em MatLab como
segui:
>> num = [b0 b1 b2 bm];
>> den = [a0 a1 a2 an];
2den
2num
)s(G;
1den
1num
)s(G 21 
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Então:
>> G1 = tf(num1, dem1);
>> G2 = tf(num2, den2);
Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em cascata:
>>[num, den] = series(mim1,den1,mum2,den2);
Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em paralelo:
>>[num, den] = parallel(mim1,den1,mum2,den2);
Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em malha fechada (G2 no passo de
feedback):
>>[num, den] = feedback(mim1,den1,mum2,den2);
Sistema de Controle. Representação mediante
diagramas de bloco
Procedimento para o riscado do diagrama de bloco: Procede-se da
seguinte maneira:
1) Se elabora o modelo matemático no domínio temporal a partir das leis
físicas ou outro procedimento.
2) Se lineariza o modelo para obter outro modelo equivalente num entorno
pequeno das variáveis (modelo em variações).
3) Se transforma o modelo ao domínio da frequência complexa a traves da T.
de Laplace ou da transformada Z se o modelo é discreto no tempo (não
continuo).
4) Se procede a riscar o diagrama de fluxo de sinais ou o diagrama de bloco
seguindo os preceito e regras dadas para isso.
Vejamos um exemplo.
Representação mediante diagramas de bloco
Obter o diagrama de bloco do quadrupolo RC mostrado a seguir:
1) Modelo: Aplicando as lei de voltagem de Kirchhoff na malha fechada do
circuito se tem:
Num capacito à carga elétrica nas placas é proporcional a voltagem, portanto:
ei
eo
R
C
i
R
tete
titetRite oi
oi
)()(
)()()()(


C
dtti
tetCedtti oo

 
)(
)()()(
Representação mediante diagramas de bloco
2) Neste caso o modelo é linear, portanto o modelo linearizado em termos das
variações coincide com o modelo original.
3) Transformando pelo Laplace ambas os equações:
4) Representando a primeira equação no diagrama de bloco:
Representando a segunda equação:
R
sEsE
sI oi )()(
)(


Cs
sI
sEo
)(
)( 
R
1Ei(s) I(s)
Eo(s)
+
-
R
1
Eo(s)I(s)
Representação mediante diagramas de
bloque
Unindo ambos diagramas:
R
1Ei(s) I(s) Eo(s)
+
- Cs
1
Regras de redução dos diagramas de bloco
Existem regras muito simples que foram estabelecias por Mason (1953) as
quais permitem simplificar as relações causa efeito entre as variáveis de um
digrama de fluxo de sinais ou diagrama de bloco. Na tabela seguinte se
mostram as regras principais.
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos
primeiramente algumas definições e conceitos:
Nodo: É qualquer variável no diagrama de bloco o de fluxo de sinais. Se a variável
representa um sinal de entrada então o nodo correspondente se diz nodo de entrada;
se a variável é um sinal se saída então o nodo se diz de saída ou vértice.
Enlace ou rama (linking): É toda linha que partindo de um nodo fonte se dirige a um
nodo vértice ou saída indicando com uma seta o sentido do fluxo do sinal. Associado a
cada rama ou enlace está sempre uma FT que recebe o nome de transmitância da
rama.
Trajetória direita entre dois nodos: É toda sequência de ramas que partindo de um
nodo, mantendo o sentido do fluxo do sinal, alcança a outro nodo sem passar por um
mesmo nodo mais de uma vez.
Ganho de trajetória direita: É o produto dos ganhos ou transmitâncias dos enlaces o
ramas que formam a trajetória direita em questão.
Malha fechada: É toda sequencia de enlaces ou ramas que, mantendo o fluxo do sinal
(sentido da seta) e partindo de um nodo retorna ao mesmo nodo.
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
Ganho da trajetória fechada: É o produto das transmitâncias das ramas que
a formam.
Formula generalizada de Mason para o ganho entre um nodo vértice e
um nodo fonte: Seja Y(s) a vaiável que representa o nodo vértice e seja X(s)
a variável que representa o nodo fonte, ambas no domínio da frequência
complexa s, então:
(18)
Onde; Gk representa o ganho da trajetória direta k entre o nodo fonte e o nodo
vértice. Supõe-se que há N trajetórias direitas entre Y e X.




N
k
kkG
sX
sY
sGGanho 1
)(
)(
)(
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
: É o determinante do sistemas de equações que representam ao modelo do
sistema na frequência e fica dado por:
(19)
 
...
,
1
entesuscesivamassime
possiveisscombinaçõeas
toudasoconsierandseentretoquemsenãoquediagramado
fechadasmalhasduasdeganhosdosprodutosdos
possiveisscombinaçõeas
toudasoconsierandseentretoquemsenãoquediagramado
fechadasmalhasduasdeganhosdosprodutosdos
diagramadofechadasmalhasastoudasdeganhos





























Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
k: É o valor que toma  quando toda o diagrama que toca a trajetória direita
Gk fica eliminada.
Exemplo: Dado o sistema de controle cujo diagrama de bloques se mostra a
seguir:
a) Encontrar a relação C/R aplicando a regras de simplificação.
b) Encontrar C/R aplicando a formula de Mason para o ganho.
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
a) Calculo de C/R aplicando a regras de simplificação.
Movendo o ponto se soma do laço contendo H2 para a esquerda (regra 1) se
tem:
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
Resolvendo a malha fechada G1,G2,H1 tem-se:
Resolvendo a malha fechada G1G2/(1-G1G2H1), G3, H2/G1 se tem:
Classificação dos sistemas de controle
Os controladores industrias se classificam como segui:
1. Controladores de duas posições ou on-off.
2. Controladores proporcionais.
3. Controladores integrais.
4. Controladores Proporcional-Integrais (PI).
5. Controladores proporcional-derivativos (PD).
6. Controladores proporcional-integral-derivativos (PID).
Controle on-off:
u(t) = U1, pata todo e(t) > 0
u(t) = U2, para todo e(t) < 0
u1
u2
ue
-
+
Classificação dos sistemas de controle
Controladores proporcionais:
u(t) = Kpe(t)
Kp : constante de proporcionalidade o ganho do controlador.
Controladores integrais:
Onde Ki é constante ou ganho integral.
Controladores proporcionais mais integrais:
s
K
)s(E
)s(U
dt)t(eK)t(u i
t
0
i  






  sT
1
1K
)s(E
)s(U
dt)t(eK)t(eK)t(u
i
p
t
0
ip
Classificação dos sistemas de controle
Controladores proporcionais mais derivativo:
Controladores proporcionais mais interativo mais derivativo:
 sT1K
)s(E
)s(U
dt
)t(de
TK)t(eK)t(u dpdpp 






  sT
sT
1
1K
)s(E
)s(U
dt
)t(de
TKdt)t(e
T
K
)t(eK)t(u d
i
pdp
t
0
i
p
p
E(s)  
sT
sTTsT1K
i
2
diip  U(s)
+
-
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais:
Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos:
Resolvendo a malha fechada G1G2G3, 1 tem-se:
Finalmente:
b) Aplicando a fórmula de Mason:
Segundo (18):
321232121
321
1 GGGHGGHGG
GGG
R
C






N
k
kkG
sR
sC 1
)(
)(
Regras de redução dos diagramas de bloque
Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Neste
caso há só uma trajetória direita entre R e C, portanto N = 1. Essa trajetória esta
formada pelas ramas: G1,G2 e G3. Seu ganho é: G1G2G3
O sistema tem três malhas fechadas, cujos ganhos são: G1G2H1, G2G3H2 e
G1G2G3.
Portanto o determinante do sistema está dado segundo (19) por:
Quando elimina-se a única trajetória que existe não fica nenhuma malha fechada.
Portanto:
1 = 1-0 = 1
Portanto substituindo valores:
Observe-se a coincidência de ambos os resultados.
  32132121321232121 11 GGGHGGHGGGGGHGGHGG 
321232121
321
1)(
)(
GGGHGGHGG
GGG
sR
sC


CONCLUSÕES
BIBLIOGRAFIA
Ogata, K.; Engenharia de Controle Moderna,
Cap. 3, pags. 57 -70
Rodriguez Borroto, M. A.; Conferencia 2, notas
de aula.
FIM

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Clase 7 Espacio de estado
Clase 7 Espacio de estadoClase 7 Espacio de estado
Clase 7 Espacio de estado
UNEFA
 
Sistema de control para llenado de un tanque
Sistema de control para llenado de un tanqueSistema de control para llenado de un tanque
Sistema de control para llenado de un tanque
Abel Enrique
 
Cinemática de robot mitsubishi
Cinemática de robot mitsubishiCinemática de robot mitsubishi
Cinemática de robot mitsubishi
pfalari
 
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETOTEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
cesarcesitar
 
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
SANTIAGO PABLO ALBERTO
 

Mais procurados (20)

Practicas de robotica utilizando matlab - Roque
Practicas de robotica utilizando matlab -  RoquePracticas de robotica utilizando matlab -  Roque
Practicas de robotica utilizando matlab - Roque
 
Logica de automatizacion de procesos
Logica de automatizacion de procesosLogica de automatizacion de procesos
Logica de automatizacion de procesos
 
Clase 7 Espacio de estado
Clase 7 Espacio de estadoClase 7 Espacio de estado
Clase 7 Espacio de estado
 
Factory talk
Factory talkFactory talk
Factory talk
 
PLC: Autómatas programables avanzado.pdf
PLC: Autómatas programables avanzado.pdfPLC: Autómatas programables avanzado.pdf
PLC: Autómatas programables avanzado.pdf
 
Sistema de control para llenado de un tanque
Sistema de control para llenado de un tanqueSistema de control para llenado de un tanque
Sistema de control para llenado de un tanque
 
Plc
PlcPlc
Plc
 
Simulación de Sistemas de Control
Simulación de Sistemas de ControlSimulación de Sistemas de Control
Simulación de Sistemas de Control
 
Robot seguidor de linea
Robot seguidor de lineaRobot seguidor de linea
Robot seguidor de linea
 
Cinemática de robot mitsubishi
Cinemática de robot mitsubishiCinemática de robot mitsubishi
Cinemática de robot mitsubishi
 
Teoria s7 300-basico
Teoria s7 300-basicoTeoria s7 300-basico
Teoria s7 300-basico
 
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETOTEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
TEORIA PID CONTROL EN TIEMPO DISCRETO
 
Análisis de la respuesta del sistema
Análisis de la respuesta del sistemaAnálisis de la respuesta del sistema
Análisis de la respuesta del sistema
 
Electroneumática: Manual automatización industrial
Electroneumática: Manual automatización industrialElectroneumática: Manual automatización industrial
Electroneumática: Manual automatización industrial
 
Crea robot con matlab
Crea robot con matlabCrea robot con matlab
Crea robot con matlab
 
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
PLC: Sistemas programables avanzados PLC paraninfo por José Antonio Mercado F...
 
Cinemática Directa e Inversa de un robot de 3 Grados de Libertad
Cinemática Directa e Inversa de un robot de 3 Grados de LibertadCinemática Directa e Inversa de un robot de 3 Grados de Libertad
Cinemática Directa e Inversa de un robot de 3 Grados de Libertad
 
Modelos.diagramabloques
Modelos.diagramabloquesModelos.diagramabloques
Modelos.diagramabloques
 
Gauss - Catálogo Geral
Gauss - Catálogo GeralGauss - Catálogo Geral
Gauss - Catálogo Geral
 
Automatizacion con variador y plc
Automatizacion con variador y plcAutomatizacion con variador y plc
Automatizacion con variador y plc
 

Destaque (6)

Controle i apostila
Controle i   apostilaControle i   apostila
Controle i apostila
 
Sist cont i_conf1_2014
Sist cont i_conf1_2014Sist cont i_conf1_2014
Sist cont i_conf1_2014
 
Apostila juliano eme905
Apostila juliano eme905Apostila juliano eme905
Apostila juliano eme905
 
Estudos de Controle - Aula 4: Modelagem (2)
Estudos de Controle - Aula 4: Modelagem (2)Estudos de Controle - Aula 4: Modelagem (2)
Estudos de Controle - Aula 4: Modelagem (2)
 
Estudos de Controle - Aula 6: Revisão
Estudos de Controle - Aula 6: RevisãoEstudos de Controle - Aula 6: Revisão
Estudos de Controle - Aula 6: Revisão
 
Aula prática 4 de Introdução à Programação com Arduino.
Aula prática 4 de Introdução à Programação com Arduino.Aula prática 4 de Introdução à Programação com Arduino.
Aula prática 4 de Introdução à Programação com Arduino.
 

Semelhante a Sist cont i_conf2_2014

Doc modelagem _492246747
Doc modelagem _492246747Doc modelagem _492246747
Doc modelagem _492246747
Peterson Silva
 
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
Anderson Amorim
 

Semelhante a Sist cont i_conf2_2014 (20)

Doc modelagem _492246747
Doc modelagem _492246747Doc modelagem _492246747
Doc modelagem _492246747
 
Projeto de Controle de Posição entre veículos, Análise de Sistemas III
Projeto de Controle de Posição entre veículos, Análise de Sistemas IIIProjeto de Controle de Posição entre veículos, Análise de Sistemas III
Projeto de Controle de Posição entre veículos, Análise de Sistemas III
 
Analise de funções de transferencia de malha fechada com Matlab
Analise de funções de transferencia de malha fechada com MatlabAnalise de funções de transferencia de malha fechada com Matlab
Analise de funções de transferencia de malha fechada com Matlab
 
Estudos de Controle - Aula 3: Modelagem (1)
Estudos de Controle - Aula 3: Modelagem (1)Estudos de Controle - Aula 3: Modelagem (1)
Estudos de Controle - Aula 3: Modelagem (1)
 
Sistemas de comunicação, digital, di.pdf
Sistemas de comunicação, digital, di.pdfSistemas de comunicação, digital, di.pdf
Sistemas de comunicação, digital, di.pdf
 
Sist cont i_conf3_2014
Sist cont i_conf3_2014Sist cont i_conf3_2014
Sist cont i_conf3_2014
 
Controlador de velocidade de máquina a vapor.
Controlador de velocidade de máquina a vapor.Controlador de velocidade de máquina a vapor.
Controlador de velocidade de máquina a vapor.
 
Análise da Resposta Transitória
Análise da Resposta TransitóriaAnálise da Resposta Transitória
Análise da Resposta Transitória
 
5 2 funcoes de transferencia
5 2   funcoes de transferencia5 2   funcoes de transferencia
5 2 funcoes de transferencia
 
Desenvolvimento análise de sistemas lineares
Desenvolvimento análise de sistemas linearesDesenvolvimento análise de sistemas lineares
Desenvolvimento análise de sistemas lineares
 
Cap1.pdf
Cap1.pdfCap1.pdf
Cap1.pdf
 
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
ANÁLISE DE FLUXO DE POTÊNCIA EM REGIME PERMANENTE DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE PO...
 
Apresentação
ApresentaçãoApresentação
Apresentação
 
Capitulo1ControleAulaCleto.inrroducqopdf
Capitulo1ControleAulaCleto.inrroducqopdfCapitulo1ControleAulaCleto.inrroducqopdf
Capitulo1ControleAulaCleto.inrroducqopdf
 
aula01Controle_2024_1_nintroduca seo.pdf
aula01Controle_2024_1_nintroduca seo.pdfaula01Controle_2024_1_nintroduca seo.pdf
aula01Controle_2024_1_nintroduca seo.pdf
 
Sistemas 2009 1
Sistemas 2009 1Sistemas 2009 1
Sistemas 2009 1
 
Relatório sistema vibratório.pdf
Relatório sistema vibratório.pdfRelatório sistema vibratório.pdf
Relatório sistema vibratório.pdf
 
Aula 01
Aula 01Aula 01
Aula 01
 
Aula 01
Aula 01Aula 01
Aula 01
 
Simulink 4
Simulink 4Simulink 4
Simulink 4
 

Último

AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
Consultoria Acadêmica
 
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdfATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
Colaborar Educacional
 
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
eliasmar2
 
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
Consultoria Acadêmica
 
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdfINSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
marcyomendona
 
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
Consultoria Acadêmica
 

Último (12)

Curso de operador de guindauto e guindaste
Curso de operador de guindauto e guindasteCurso de operador de guindauto e guindaste
Curso de operador de guindauto e guindaste
 
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
 
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdfATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
ATIVIDADE 2 - PSICOLOGIA ORGANIZACIONAL - ok.pdf
 
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
1 - ESPAÇO CONFINADO - NORMA REGULAMENTADORA 33 - SLIDESHARE.pptx
 
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
AE02 - MAQUINAS TÉRMICAS UNICESUMAR 52/2024
 
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdfINSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
INSTRUÇÃO TÉcnica N° 3 - NEOENERGIA BRASILIA .pdf
 
Presentación en Power point. Capítulo 5 - Bombas de água.pdf
Presentación en Power point. Capítulo 5 - Bombas de água.pdfPresentación en Power point. Capítulo 5 - Bombas de água.pdf
Presentación en Power point. Capítulo 5 - Bombas de água.pdf
 
Aula 03 - Gestão da Manutenção - OS e Software de Gerenciamento de Manutenção...
Aula 03 - Gestão da Manutenção - OS e Software de Gerenciamento de Manutenção...Aula 03 - Gestão da Manutenção - OS e Software de Gerenciamento de Manutenção...
Aula 03 - Gestão da Manutenção - OS e Software de Gerenciamento de Manutenção...
 
Checklist de renovação de AVCB -Auto de Vistoria do Corpo de Bombeiros.pdf
Checklist de renovação de AVCB -Auto de Vistoria do Corpo de Bombeiros.pdfChecklist de renovação de AVCB -Auto de Vistoria do Corpo de Bombeiros.pdf
Checklist de renovação de AVCB -Auto de Vistoria do Corpo de Bombeiros.pdf
 
Aula_LUBRIFICAÇÃO_INDUSTRIAL AUTOMOTIVA_
Aula_LUBRIFICAÇÃO_INDUSTRIAL AUTOMOTIVA_Aula_LUBRIFICAÇÃO_INDUSTRIAL AUTOMOTIVA_
Aula_LUBRIFICAÇÃO_INDUSTRIAL AUTOMOTIVA_
 
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
AE01 -ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL -COMUNICAÇÃO ASSERTIVA E INTERPESSOA...
 
AE01 - ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL RELACOES DE CONSUMO E SUSTENTABILI...
AE01 - ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL  RELACOES DE CONSUMO E SUSTENTABILI...AE01 - ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL  RELACOES DE CONSUMO E SUSTENTABILI...
AE01 - ESTUDO CONTEMPORÂNEO E TRANSVERSAL RELACOES DE CONSUMO E SUSTENTABILI...
 

Sist cont i_conf2_2014

  • 1. SISTEMAS DE CONTROLE I Dr. Miguel A. Rodríguez Borroto Escola Superior de Tecnologia (EST) Universidade do Estado de amazonas (UEA) e-mail: #1. mrb1940@gmail.com
  • 2. CONFERENCIA 2 Modelagem Matemático da Dinâmica de Sistemas (Primeira parte)
  • 3. CONTEUDO • Introdução ao modelagem matemático de sistemas. • Conceitos de função de transferência e resposta ao impulso . • Representação do modelo de sistemas físicos mediante diagramas de bloco. • Conclusões.
  • 4. OBJETIVOS • Familiarizar-se com os fundamentos da modelagem de sistemas físicos. • Conhecer os conceitos de função de transferência e resposta ao impulso de um sistema lineal. • Familiarizar-se com a representação do fluxo do sinais em um sistema mediante um diagrama de bloco do modelo. • Conhecer e aplicar a definição e algumas regras de representação e simplificação dos diagramas de bloco.
  • 5. Introdução à modelagem de sistemas Para estudar os sistemas de controle, diga-se analisar suas características e realizar seu projeto, precisa-se primeiramente modelar matematicamente o sistema. O modelo matemático define-se como o conjunto de equações e expressões matemáticas que descrevem acertadamente, ou ao menos aproximadamente bem, as características de desempenho do sistema. Há modelos e Modelos de sistemas físicos, ou seja, o modelo não é único; o sistema pode ser modelado de varias maneiras, de acordo com as perspectivas de sua utilização. Os sistemas podem ser físicos: mecânicos, elétricos, térmicos, etc. podem ser econômicos, podem ser biológicos, etc., e eles podem ser descritos por equações integro-diferenciais e outras expressões matemáticas. Essas equações podem ser obtidas mediante as leis físicas que regem no sistema. Ex. as leis de Newton, Kirchhoff, etc.
  • 6. Introdução à modelagem de sistemas Modelos matemáticos: Podem ser de diferentes formas; em dependência do sistema particular e das circunstancias, um modelo pode ser melhor que outro. Por exemplo: em controle ótimo é melhor usar a representação do modelo em variáveis de estado; embora, no analise da resposta temporal de sistemas SISO lineares, invariantes no tempo, é melhor usar o modelo baseado em funções de transferência e aplicar os métodos de resposta de frequência o localização das raízes, auxiliado das ferramentas computacionais.
  • 7. Introdução à modelagem de sistemas Simplicidade versus exatidão: Há uma frase que diz: “as cosas tem que ser tão boa como seja necessário e não tão boa como seja possivel fazer-la”. Há modelos e modelos, mas não é mesmo desenvolver um modelo que descreva o desempenho da insulina na sangue do ser humano quando om mesmo recebe a insulina e outros remédios, que desenvolver um modelo para descrever o desempenho do fluxo em uma tubaria, ou a temperatura de um forno, ou a concentração de oxigeno na combustão em uma usina termelétrica, ou a velocidade da ferramenta numa máquina de ferramentas, etc, etc. Em geral, ao solver um novo problema, temos primeiro que elaborar um modelo o mais simplificado possível, mas que cumpra com as especificações quanto a descrição das características do sistema, ou seja com a exatidão necessária. Normalmente os processos são não lineares e os modelos que os descrevem também, mas industrialmente se precisa que eles trabalhem em um entorno pequeno da variável de saída.
  • 8. Introdução à modelagem de sistemas Sistemas lineares: Um sistema se diz linear se o mesmo cumpre com o principio da superposição, o seja, a saída do sistema, como resposta a vários sinais de entrada, pode-se calcular somando as respostas individuais para cada entrada. Nos sistemas lineares existe uma relação causa-feito entre entrada e saída que é linear. A vezes se adopta a definição seguinte: um sistema é linear se ele pode ser descrito por um modelo linear. Por exemplo: Os sistemas cujos modelos são: a) b) dt tdu tuty dt tdy dt tyd )( )()(5 )( 4 )( 2 2  )()(3 )( 2 )()( 2 2 3 3 tuty dt tdy dt tdy dt tyd 
  • 9. Introdução à modelagem de sistemas Sistemas lineares invariantes e variantes com o tempo: Um sistema se diz linear invariante com o tempo se os parâmetros de seu modelo são constantes. Um sistema se diz linear variante com o tempo se os coeficientes ou parâmetros de seu modelo são funções do tempo. Os exemplo dados anteriormente são ambos os lineares in variante com o tempo. Mas os modelos seguintes representam sistemas variantes no tempo: dt )t(du )t(u)t(yt5 dt )t(dy t dt )t(yd 2 2 2  )t(u)t(y)t2(sen3 dt )t(dy e dt )t(dy dt )t(yd t 2 2 3 3  
  • 10. Introdução à modelagem de sistemas Sistemas não lineares: Se um sistema não cumpre com o principio da superposição se que o sistema é não linear e o modelo que o representa tem que ser tb. não linear; assim a resposta de um sistema não linear a dois sinais de entrada não se pode calcular somando as respostas individuais. Exemplos de sistemas não lineares são: dt tdu tuty dt tdy dt tyd )( )()(5 )( 4 )( 2 2 2          0)( )( 1 )( 2 2 2  ty dt tdy y dt tyd   0)( )()( 2 2 2  ty dt tdy dt tyd
  • 11. Introdução à modelagem de sistemas Em muitos sistemas físicos de todo tipo a relação entre entrada e saída não é linear, assim nos encontramos com fenômenos de saturação, zona morta, histereses, jogo libre nos engrenagem, etc. que motivam que o modelo resultante seja não linear. A seguir se mostram algumas dessas não linearidades. Este tipo de não-linearidade se diz que é inerente ao sistema. Fig. 1 entrada saída entrada saída entrada saída Saturação Zona morta Zona morta histereses
  • 12. Introdução à modelagem de sistemas Linearização de Sistemas não lineares: Muitos processos tem que desenvolver-se (sistemas de regulação) dentro de um entorno pequeno da vaiável de saída; nestes casos se o sistema resultara não linear o modelo pode ser linearizado em termos de variações pequenas das variáveis. El sistema assim linearizado comporta-se como o sistema original, mas em um entorno pequeno das variáveis do mesmo. Para fazer a linearização do modelo se aplica o conceito matemático de variação de uma variável ou função e para obter o modelo se usa o desenvolvimento dos termos do modelo em series de Taylor ao redor de um entorno pequeno do ponto de operação ou ponto de equilíbrio como tb se conhece. Mas adiante voltaremos sobre o assunto.
  • 13. Função transferencial e resposta ao impulso Em controle automático se usa muito o conceito de função de transferência para descrever a relação entrada-saída do sistema. Este conceito se aplica só a sistemas lineares invariantes com o tempo e fica muito relacionado com outro conceito muito importante tb: a resposta ao um sinal tipo impulso. Função transferencial (FT): Se o modelo matemático que representa a relação que existe entre a saída y e a entrada x de um sistema linear fica dado pela equação diferencial, ordinária e linear seguinte: (1) A FT deste sistema se define a relação que existe entre a transformada de Laplace da saída e a transformada da Laplace da entrada, baixo a consideração de que todas as condições iniciais sejam cero (0).          nmxbxbxbxbyayayaya mm mm onn nn       1 1 11 1 10
  • 14. Função transferencial e resposta ao impulso Ou seja: (2) Mediante o concepto de FT é possível representar a dinâmica do sistema por equações algébricas na variável complexa s das transformações de Laplace. Neste caso se diz que o sistema linear descrito por (1) ou (2) é de ordem n.     )adedecausalidcondição(mn asasasa bsbsbsb )s(X )s(Y entradaL saidaL )s(GcialtransferenFunção n1n 1n 1 n 0 m1m 1m 1 m 0 zeroinciaiscondições           
  • 15. Função transferencial e resposta ao impulso Comentários sobre a FT: O concepto aplicasse a sistemas lineares, invariantes com o tempo e resulta muito útil no analise e projeto de sistemas de controle de tais sistemas. A seguir importantes comentários: 1. A FT de um sistema é um modelo matemático onde o método operacional permite relacionar as vaiáveis do sistema no domínio da frequência complexa s. 2. A FT é uma propriedade do sistema e não depende da natureza ou magnitude das entradas ao sistema. 3. A FT não inclui alguma informação sobre a estrutura física do sistema. Funções transferenciais de diferentes sistemas físicos podem ser idênticas. 4. Se a FT é conhecida, a saída ou resposta do sistema a qualquer tipo de sinal de entrada pode ser estudada independente da natureza do sistema. 5. Se a FT é desconhecida, pode-se estabelecer experimentalmente introduzindo ao sistema sinais conhecidas de entrada.
  • 16. Função transferencial e resposta ao impulso Sistema mecânico: Seja o sistema de controle de altitude de um satélite como se mostra a seguir: Fig. 2. O diagrama mostra só o controle do ângulo de derrape ou guinada (), embora existem controles dos três eixos.
  • 17. Função transferencial e resposta ao impulso Jorros pequenos provocam reações que fazem que o satélite gire. Eles operam em casais, em posições obliquas tais como A ou B. Consideremos que o empurre dos jorros seja F/2 e portanto o torque produzido e aplicado ao sistema é: Tanto T(t) como F(t) são considerados funções do tempo. Seja J o momento angular de inercia do satélite respeito ao eixo de giro (centro de massa). Vamos a obter a FT do sistema considerando que T(t) é o sinal de entrada e que (t) é o sinal de saída. Para calcular a FT, procede-se segundo os seguintes passos: 1) Escreve-se a equação diferencial do sistema. 2) Aplicamos a transformada de Laplace considerando as condições iniciais zero. 3) Toma-se a relação (s)/T(s). FlT 
  • 18. Função transferencial e resposta ao impulso Aplicando a segunda Lei de Newton, considerando que no espaço onde se encontra o satélite não há atrito se tem: Aplicando Transformada de Laplace e desprezando condições iniciais: Por tanto: )( )( 2 2 tT dt d J   )()(2 sTsJs  2 1 )( )( )( JssT s sG   
  • 19. Função transferencial e resposta ao impulso Resposta ao impulso: Se sabe de analise de sistemas que a função impulso o delta de Dirac é uma função singular que tem propriedades muito específicas, tais como que posei uma amplitude infinita (∞) e tempo de duração cero (0). A amplitude da função impulse recebe o nome de esforço do impulso; assim se o esforço é k se diz que o impulso tem esforço k. Se k = 1 o impulso diz-se unitário. Do estudo da matemática operacional, se sabe que transformada de Laplace da função impulso unitário é 1. Resulta a única função conhecida que cumpre essa propriedade. Assim: (3) Se o impulso tem esforço k então: (4)   1)( tL    ktkL )(
  • 20. Função transferencial e resposta ao impulso Da discussão anterior e tendo em conta a definição de FT temos que: Se x(t) é um impulso unitário então: Portanto: (5) Portanto: (6) Ou seja, a resposta de um sistema linear a um impulso unitário é igual que a transformada inversa de Laplace de sua FT. )( )( )( sX sY sG    1)()(  tLsX  )( 1 )( )( )( )( sY sY sX sY sG      )()()()( 11 tgsGLsYLty  
  • 21. Função transferencial e resposta ao impulso Integral de convolação: Segundo o concepto de FT temos: (7) Aplicando transformada inversa de Laplace em ambos os membros se tem: (8) Mas, segundo o teorema da convolação da transformada de Laplace se tem: O qual se conhece como convolação no tempo de g(t) com x(t) e fica dado por: (9) Onde se considera que g(t)=x(t)=0 para t<0 )()()( sXsGsY     )()()()( 11 sXsGLsYLty     )(*)()()()( 1 txtgsXsGLty        tt dtxgdxtgtxtgsXsGLty 00 1 )()()()()(*)()()()( 
  • 22. Função transferencial e resposta ao impulso Resumindo podemos dizer que a resposta de qualquer sistema linear invariante no tempo se pode calcular pela convolação no tempo do sinal de entrada com a resposta ao impulso do sistema.
  • 23. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco O modelo de todo sistema de controle não é mais que um conjunto de equações diferenciais no domínio temporal o equações algébricas no domínio da frequência que relacionam as entradas com as saídas do sistema. Esse conjunto de equações determina as diferentes relações de causa- efeito que existe entre as variáveis. Mediante os diagramas de blocos é possível representar o fluxo dos sinais no sistema. Dai que podamos dizer que um diagrama de bloco é uma representação gráfica das relações causa-efeito o fluxo de sinais que tem lugar em um sistema de controle. Tais diagramas estão formados por blocos funcionais em cada um dos quais se realiza uma função matemática.
  • 24. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco A seguir se mostra um diagrama de bloco elementar que estabelece a relação que existe entre dois sinais a traves da FT entre eles. Fig. 3 Função Transferencial G(s) Sinal de Entrada Sinal de Saída
  • 25. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Definições: Os diagramas de bloques se constroem de acordo aos pontos de vista do analise. A seguir se estabelecem as definições dos diferentes elementos que constituem um diagrama de bloco. Ponto se soma: Se mostra na Fig. 4 e indica a operação de soma (subtração). Fig. 4 a a-b b + -
  • 26. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Ponto de rama: É um ponto desde o qual o sinal que sai de um bloco pode viajar para a entrada de outro bloco ou para um ponto de suma. A seguir se mostra um ponto de rama. Fig. 5 G(s) Sinal de Entrada Sinal de Saída Ponto de rama
  • 27. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Diagrama de bloques em malha fechada: A seguir se mostra o diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada. Fig. 6 R(s) C(s) G(s) E(s) + - Ponto de soma Ponto de rama
  • 28. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Como funciona o sistema?: O sinal de referencia ou valor desejado na saída R(s) continuamente se compara por diferencia no ponto se suma com o sinal de saída C(s) realimentada para obter-se o sinal de erro E(s) sobre o qual atua o controlador para exercer um sinal corretora que compensa qualquer efeito perturbador sobre o sinal de saída. Neste caso o sinal de saída compara-se diretamente com o sinal de referencia, se disse então que um feedback é unitário. Mas, geralmente o sinal de saída, velocidade, temperatura, fluxo, nível, etc. são sinais de engenharia que precisas ser convertidas a sinal elétrica ou pneumática, nos controladores reais. De modo que o diagrama de bloco do sistema realimentado é da forma que se mostra a seguir na Fig. 7.
  • 29. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Onde o sinal de feedback é representado por H(s), diferente de 1. Este é o caso mais geral de sistema realimentado. Fig. 7. Agora o sinal de feedback é B(s) que segui sendo da mesma natureza que R(s) (voltagem, corrente, etc.) não é uma magnitude de engenharia (temperatura, pressão, etc.) Neste caso H(s) é a FT do passo de feedback, enquanto que G(s) é a FT do passo direto entre o erro E e a saída C. R(s) C(s) G(s) E(s) + - H(s) B(s)
  • 30. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Função transferencial em malha abertas e função transferencial do passo direto: De acordo com a Fig. 7 se tem: (10) E (11) Se o feedback é unitário H(s) = 1 e ambas funções de transferência coincidem. )()( )( )( sHsG sE sB abertamalhadacialtransferenFunção  )( )( )( sG sE sC diretopasodocialtransferenFunção 
  • 31. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Função transferencial em malha fechada: Para o sistema da Fig. 7 se tem: (12) (13) Substituindo (13) em (12) resulta: (14) De onde resulta: (15) Que recebe o nome de FT de malha fechada e fica dada por FT do passo direto/1+FT da malha aberta )()()( sEsGsC  )()()()()()( sCsHsRsBsRsE  )()()()()()( sCsHsGsRsGsC  )()(1 )( )( )( sHsG sG sR sC  
  • 32. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Sistema em malha fechada submetido a distúrbio: Seja o sistema em malha fechada amostrado na Fig. 8 com o distúrbio D(s): Considerando a referencia zero (R=0) e aplicando o concepto de FT de malha fechada, dado anteriormente, resulta para a resposta ao distúrbio: (15) )()()(1 )( )( )( 21 2 sHsGsG sG sD sCD   R(s) D(s) G1(s) G2(s) H(s) + - + + C(s) H(s)
  • 33. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco De igual forma, considerando D(s) = 0, resulta para a resposta do sistema ao sinal de referencia R(s): (16) A resposta a amos sinais R e D fica dada por: (17) De (15) vemos que se: G1(s)H(s)>>1e G1(s) G2(s)H(s) >>1, então a resposta ao distúrbio CD(s)/D(s)  0 Por outro lado, de (16) vemo-nos que a FT em malha fechada CR(s)/R(s)  1/H(s) quando G1(s)G2(s)H(s) >>1 )()()(1 )()( )( )( 21 21 sHsGsG sGsG sD sCR    )()()( )()()(1 )( )()()( 1 21 2 sDsRsG sHsGsG sG sCsCsC DR   
  • 34. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Obtenção de FTs mediante MatLab: No análise de sistemas de controle normalmente se precisa calcular FTs que ficam em cascata, em paralelo ou formando uma malha fechada. O Mat Lab permite permite realizar esses cálculos de maneiram muito simples. Vejamos: Suponhamos duas FT dadas por: Os coeficientes dos polinomios num e den se expresam em MatLab como segui: >> num = [b0 b1 b2 bm]; >> den = [a0 a1 a2 an]; 2den 2num )s(G; 1den 1num )s(G 21 
  • 35. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Então: >> G1 = tf(num1, dem1); >> G2 = tf(num2, den2); Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em cascata: >>[num, den] = series(mim1,den1,mum2,den2); Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em paralelo: >>[num, den] = parallel(mim1,den1,mum2,den2); Para obter a FT equivalente de G1 e G2 em malha fechada (G2 no passo de feedback): >>[num, den] = feedback(mim1,den1,mum2,den2);
  • 36. Sistema de Controle. Representação mediante diagramas de bloco Procedimento para o riscado do diagrama de bloco: Procede-se da seguinte maneira: 1) Se elabora o modelo matemático no domínio temporal a partir das leis físicas ou outro procedimento. 2) Se lineariza o modelo para obter outro modelo equivalente num entorno pequeno das variáveis (modelo em variações). 3) Se transforma o modelo ao domínio da frequência complexa a traves da T. de Laplace ou da transformada Z se o modelo é discreto no tempo (não continuo). 4) Se procede a riscar o diagrama de fluxo de sinais ou o diagrama de bloco seguindo os preceito e regras dadas para isso. Vejamos um exemplo.
  • 37. Representação mediante diagramas de bloco Obter o diagrama de bloco do quadrupolo RC mostrado a seguir: 1) Modelo: Aplicando as lei de voltagem de Kirchhoff na malha fechada do circuito se tem: Num capacito à carga elétrica nas placas é proporcional a voltagem, portanto: ei eo R C i R tete titetRite oi oi )()( )()()()(   C dtti tetCedtti oo    )( )()()(
  • 38. Representação mediante diagramas de bloco 2) Neste caso o modelo é linear, portanto o modelo linearizado em termos das variações coincide com o modelo original. 3) Transformando pelo Laplace ambas os equações: 4) Representando a primeira equação no diagrama de bloco: Representando a segunda equação: R sEsE sI oi )()( )(   Cs sI sEo )( )(  R 1Ei(s) I(s) Eo(s) + - R 1 Eo(s)I(s)
  • 39. Representação mediante diagramas de bloque Unindo ambos diagramas: R 1Ei(s) I(s) Eo(s) + - Cs 1
  • 40. Regras de redução dos diagramas de bloco Existem regras muito simples que foram estabelecias por Mason (1953) as quais permitem simplificar as relações causa efeito entre as variáveis de um digrama de fluxo de sinais ou diagrama de bloco. Na tabela seguinte se mostram as regras principais.
  • 41. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: Nodo: É qualquer variável no diagrama de bloco o de fluxo de sinais. Se a variável representa um sinal de entrada então o nodo correspondente se diz nodo de entrada; se a variável é um sinal se saída então o nodo se diz de saída ou vértice. Enlace ou rama (linking): É toda linha que partindo de um nodo fonte se dirige a um nodo vértice ou saída indicando com uma seta o sentido do fluxo do sinal. Associado a cada rama ou enlace está sempre uma FT que recebe o nome de transmitância da rama. Trajetória direita entre dois nodos: É toda sequência de ramas que partindo de um nodo, mantendo o sentido do fluxo do sinal, alcança a outro nodo sem passar por um mesmo nodo mais de uma vez. Ganho de trajetória direita: É o produto dos ganhos ou transmitâncias dos enlaces o ramas que formam a trajetória direita em questão. Malha fechada: É toda sequencia de enlaces ou ramas que, mantendo o fluxo do sinal (sentido da seta) e partindo de um nodo retorna ao mesmo nodo.
  • 42. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: Ganho da trajetória fechada: É o produto das transmitâncias das ramas que a formam. Formula generalizada de Mason para o ganho entre um nodo vértice e um nodo fonte: Seja Y(s) a vaiável que representa o nodo vértice e seja X(s) a variável que representa o nodo fonte, ambas no domínio da frequência complexa s, então: (18) Onde; Gk representa o ganho da trajetória direta k entre o nodo fonte e o nodo vértice. Supõe-se que há N trajetórias direitas entre Y e X.     N k kkG sX sY sGGanho 1 )( )( )(
  • 43. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: : É o determinante do sistemas de equações que representam ao modelo do sistema na frequência e fica dado por: (19)   ... , 1 entesuscesivamassime possiveisscombinaçõeas toudasoconsierandseentretoquemsenãoquediagramado fechadasmalhasduasdeganhosdosprodutosdos possiveisscombinaçõeas toudasoconsierandseentretoquemsenãoquediagramado fechadasmalhasduasdeganhosdosprodutosdos diagramadofechadasmalhasastoudasdeganhos                             
  • 44. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: k: É o valor que toma  quando toda o diagrama que toca a trajetória direita Gk fica eliminada. Exemplo: Dado o sistema de controle cujo diagrama de bloques se mostra a seguir: a) Encontrar a relação C/R aplicando a regras de simplificação. b) Encontrar C/R aplicando a formula de Mason para o ganho.
  • 45. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: a) Calculo de C/R aplicando a regras de simplificação. Movendo o ponto se soma do laço contendo H2 para a esquerda (regra 1) se tem:
  • 46. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: Resolvendo a malha fechada G1,G2,H1 tem-se: Resolvendo a malha fechada G1G2/(1-G1G2H1), G3, H2/G1 se tem:
  • 47. Classificação dos sistemas de controle Os controladores industrias se classificam como segui: 1. Controladores de duas posições ou on-off. 2. Controladores proporcionais. 3. Controladores integrais. 4. Controladores Proporcional-Integrais (PI). 5. Controladores proporcional-derivativos (PD). 6. Controladores proporcional-integral-derivativos (PID). Controle on-off: u(t) = U1, pata todo e(t) > 0 u(t) = U2, para todo e(t) < 0 u1 u2 ue - +
  • 48. Classificação dos sistemas de controle Controladores proporcionais: u(t) = Kpe(t) Kp : constante de proporcionalidade o ganho do controlador. Controladores integrais: Onde Ki é constante ou ganho integral. Controladores proporcionais mais integrais: s K )s(E )s(U dt)t(eK)t(u i t 0 i           sT 1 1K )s(E )s(U dt)t(eK)t(eK)t(u i p t 0 ip
  • 49. Classificação dos sistemas de controle Controladores proporcionais mais derivativo: Controladores proporcionais mais interativo mais derivativo:  sT1K )s(E )s(U dt )t(de TK)t(eK)t(u dpdpp          sT sT 1 1K )s(E )s(U dt )t(de TKdt)t(e T K )t(eK)t(u d i pdp t 0 i p p E(s)   sT sTTsT1K i 2 diip  U(s) + -
  • 50. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Vejamos primeiramente algumas definições e conceitos: Resolvendo a malha fechada G1G2G3, 1 tem-se: Finalmente: b) Aplicando a fórmula de Mason: Segundo (18): 321232121 321 1 GGGHGGHGG GGG R C       N k kkG sR sC 1 )( )(
  • 51. Regras de redução dos diagramas de bloque Formula generalizada de Mason para a ganancia entre dois sinais: Neste caso há só uma trajetória direita entre R e C, portanto N = 1. Essa trajetória esta formada pelas ramas: G1,G2 e G3. Seu ganho é: G1G2G3 O sistema tem três malhas fechadas, cujos ganhos são: G1G2H1, G2G3H2 e G1G2G3. Portanto o determinante do sistema está dado segundo (19) por: Quando elimina-se a única trajetória que existe não fica nenhuma malha fechada. Portanto: 1 = 1-0 = 1 Portanto substituindo valores: Observe-se a coincidência de ambos os resultados.   32132121321232121 11 GGGHGGHGGGGGHGGHGG  321232121 321 1)( )( GGGHGGHGG GGG sR sC  
  • 53. BIBLIOGRAFIA Ogata, K.; Engenharia de Controle Moderna, Cap. 3, pags. 57 -70 Rodriguez Borroto, M. A.; Conferencia 2, notas de aula.
  • 54. FIM