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Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
CAPÍTULO VIII<br />
“ANÁLISE DO MÉTODO DA RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA”<br />
8.1- INTRODUÇÃO<br />
O método da resposta em freqüência, nada mais é que a observação da resposta de um sistema,<br />
para um sinal de entrada senoidal, cuja freqüência é variada dentro de uma faixa preestabelecida.<br />
A vantagem do uso do método da resposta em freqüência, reside no fato de que a mesma pode<br />
ser obtida experimentalmente, sem a necessidade do conhecimento prévio da função de transferência.<br />
8.2- PRINCÍPIO BÁSICO<br />
Considere o seguinte sistema:<br />
Onde:<br />
Seja:<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
Q(s), P(s) → Polinômios em “S”.<br />
χ( t) = A.senωt A.<br />
ω<br />
X( s)<br />
=<br />
S + ω<br />
2 2<br />
Q( s)<br />
A.<br />
ω<br />
Y( s)<br />
= . X( s) ∴ Y( s)<br />
=<br />
P( s) S + ω<br />
Y( s)<br />
= G( s)<br />
“1”<br />
X ( s)<br />
Q( s)<br />
A. ω.<br />
Q( s)<br />
. =<br />
P( s)<br />
(S + ω )(S + P )(S + P )<br />
2 2 2 2<br />
a1<br />
a1<br />
b1<br />
b 2<br />
Y( s)<br />
= + +<br />
+ ......<br />
S + jω<br />
S − jω<br />
{ }<br />
( S + P ) ( S + P )<br />
1<br />
2<br />
“3”<br />
Y( s) = y( t) = a . e + a . e + b . e + b . e + .....<br />
L −1 − jωt jωt − P1t −P2t<br />
1 1 1 2<br />
Para t → ∞: y( t) = a e + a e<br />
Sabe-se que:<br />
⎧<br />
a1 = ⎨ S + j<br />
⎩<br />
− jωt + jω t<br />
1 1 “5”<br />
A. ω.<br />
G( s)<br />
( ω)<br />
.<br />
( S + jω)( S − jω)<br />
⎧<br />
a2 = ⎨ S − j<br />
⎩<br />
A. ω.<br />
G(S)<br />
( ω)<br />
.<br />
( S + jω)( S − jω)<br />
⎫<br />
⎬<br />
⎭ S=− jω<br />
⎫<br />
⎬<br />
⎭ S= jω<br />
Y( s)<br />
G( s)<br />
= =<br />
X ( s)<br />
⇒ a<br />
⇒ a<br />
( ω) ( ω) ( ω) ( ω)<br />
G − j = G − j . G − j = G − j . −∅<br />
1<br />
1<br />
Q( s)<br />
( S + P1 )( S + P2<br />
)<br />
1 2<br />
“4”<br />
“2”<br />
A. G( − jω<br />
)<br />
= −<br />
“6”<br />
2 j<br />
A G j<br />
=<br />
2 j<br />
. ( ) ω “7”<br />
VIII-1<br />
Q( s)<br />
=<br />
..... P( s)
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
( − ) = ( − )<br />
G j G j e j − ∅<br />
ω ω . “8”<br />
( ω) = ( ω) . ( ω) = ( ω)<br />
. ∅ ⇒ ( ω) = ( ω)<br />
G j G j G j G j<br />
G( jω) = G( − jω)<br />
“10”<br />
Substituindo, “6”, “7”, “8”, “9” e “10” em “5”, resulta:<br />
− A. G( − jω)<br />
A. G( jω)<br />
y( t)<br />
= . e + . e<br />
2 j<br />
2 j<br />
− jωt + jωt A<br />
A<br />
y( t)<br />
= . G( j ) . e . e . G( j ). e . e<br />
j j −<br />
ω + ω<br />
2 2<br />
⎛ e − e<br />
y( t) = A. G( jω)<br />
. ⎜<br />
⎝ 2j<br />
− j∅ − jωt + j∅ + jωt j( ωt+∅) − j( ωt+∅)<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
y( t) = B.sen( ω t + ∅)<br />
“11”<br />
G j G j e j∅<br />
. “9”<br />
⇒ y( t) = A. G( jω).sen( ω t +∅)<br />
Com isto, pode-se concluir que a resposta em regime permanente de um sistema linear e invariante<br />
no tempo sujeito a uma entrada senoidal, também será senoidal na mesma freqüência com amplitude e fase<br />
diferentes. Portanto:<br />
Onde:<br />
Y( jω)<br />
= G( jω)<br />
“12” e<br />
X( jω)<br />
G(jω) → FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA SENOIDAL.<br />
Y( jω)<br />
= G( jω)<br />
“13”<br />
X( jω)<br />
Uma vez que G(jω) é complexa, são necessárias duas grandezas para especificá-la, como por<br />
exemplo, módulo e fase ou parte real e parte imaginária.<br />
Ex:<br />
G( s)<br />
=<br />
a) S +<br />
( j )<br />
j<br />
tg ( . )<br />
→ =<br />
1<br />
τ 1<br />
G ω<br />
1<br />
τ =<br />
1<br />
+ ω<br />
1<br />
2<br />
+ ω<br />
−1<br />
− τ ω<br />
Representação Gráfica<br />
τ<br />
τ τ<br />
1 2<br />
0 < ω < ∞<br />
↓<br />
ω›<br />
G( jω)<br />
fl<br />
G( jω<br />
) fl 0 0 → - 90 0<br />
VIII-2
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
De acordo com a expressão de G(jω), verifica-se que a medida que o valor de “ω” cresce, tanto<br />
o módulo como a fase de G(jω) decrescem.<br />
1<br />
1<br />
τ1 . τ2<br />
G( s)<br />
=<br />
→ G(<br />
jω)<br />
=<br />
b) ( τ S + )( S + )<br />
⎛ ⎞⎛<br />
⎞<br />
1 1 τ2<br />
1<br />
1 1<br />
⎜ + jω⎟ ⎜ + jω⎟<br />
⎝ ⎠⎝<br />
⎠<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
τ τ<br />
1 2<br />
1<br />
−1 −1<br />
G( jω) =<br />
− tg ( τ1 . ω) − tg ( τ 2<br />
. ω)<br />
1 1 2<br />
2<br />
. + ω . + ω<br />
τ τ<br />
1 2<br />
Representação Gráfica<br />
c) G( s)<br />
=<br />
G( jω)<br />
=<br />
1<br />
( S + a )( S + a )<br />
2 τ τ<br />
1<br />
1 1<br />
1<br />
( jω + a )( jω + a )<br />
Representação gráfica<br />
OBSERVAÇÕES:<br />
Obs1:<br />
Obs2:<br />
1 1<br />
2<br />
2<br />
Onde:<br />
0 < ω < ∞<br />
↓ G( jω)<br />
fl<br />
Se G(jω) tem um pólo real, o módulo deste pólo cresce com o aumento de “ω“, podendo<br />
compensar o decréscimo do módulo de um vetor complexo.<br />
VIII-3<br />
Pela representação gráfica mostrada, nota-se que quanto mais próximo do eixo imaginário<br />
estiverem os pólos complexos, maior será o pico produzido em G( jω<br />
) .<br />
A representação da função de transferência senoidal de um determinado sistema, é geralmente<br />
ω›<br />
G( jω<br />
) fl 0 0 → - 180 0<br />
a 1 , a 1 → São pólos complexos e conjugados.<br />
0 < ω < ∞<br />
ω›<br />
↓ G( jω)<br />
fl<br />
G( jω<br />
) fl 0 0 → - 180 0
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
caracterizada pelo seu módulo e sua fase, tendo como parâmetro de variação a freqüência (jω).<br />
Existem 3 representações utilizadas para a função de transferência senoidal, que são:<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
• DIAGRAMA DE BODE;<br />
• GRÁFICO POLAR;<br />
• GRÁFICO DO LOG-MÓDULO x FASE.<br />
Destes, o mais utilizado é o Diagrama de Bode seguido do Gráfico Polar.<br />
8.3- DIAGRAMA DE BODE<br />
Conforme obtida em “12” e “13”, a função de transferência senoidal de um sistema, pode ser<br />
representada por um gráfico MÓDULO x FREQÜÊNCIA e outro ÂNGULO DE FASE x FREQÜÊNCIA. O<br />
Diagrama de Bode é esta representação, porém com a seguinte característica:<br />
• 20. LOG (MÓDULO) x FREQÜÊNCIA EM ESCALA LOGARÍTMICA;<br />
• ÂNGULO DE FASE x FREQÜÊNCIA EM ESCALA LOGARÍTMICA.<br />
A principal vantagem do Diagrama de Bode é que a multiplicação dos módulos dos fatores de<br />
G(jω) é transformada em soma simples. Além disto, pode-se obter uma representação rápida da resposta<br />
em freqüência através das aproximações assintóticas. Estas aproximações são válidas somente quando se<br />
deseja obter informações superficiais a respeito da característica da resposta em freqüência de um<br />
determinado sistema.<br />
Ex1:<br />
Seja a seguinte função de transferência:<br />
τ<br />
τ τ<br />
K( 1+<br />
3S)<br />
G( s)<br />
=<br />
( 1+ S)( 1+<br />
S)<br />
1 2<br />
1 1 1<br />
= 2 = 3 =<br />
ω ω ω<br />
Onde: τ ; τ ; τ<br />
S = jω τ i → CONSTANTE DE TEMPO ASSOCIADA AOS PÓLOS E ZEROS.<br />
⎛ jω⎞<br />
jω<br />
K⎜1<br />
+ ω ⎟<br />
K . 1+<br />
⎝ 3 ⎠<br />
ω3<br />
G( jω)<br />
=<br />
⇒ G( jω)<br />
=<br />
⎛ jω⎞⎛ jω⎞<br />
jω jω<br />
⎜1+<br />
ω ⎟ ⎜1+<br />
ω ⎟<br />
1+ ω<br />
. 1+<br />
⎝ 1 ⎠⎝<br />
2 ⎠<br />
1 ω2<br />
⎧ jω<br />
⎫<br />
⎪ K . 1+<br />
ω ⎪<br />
⎪<br />
3 ⎪<br />
log G( jω)<br />
= log⎨<br />
⎬<br />
⎪ jω jω<br />
1+ ω<br />
. 1+<br />
⎪<br />
⎩⎪<br />
1 ω2<br />
⎭⎪<br />
Para a representação do módulo de G(jω), utiliza-se como unidade o DÉCIBEL.<br />
dB = 20.log G( jω<br />
)<br />
1<br />
1<br />
2<br />
3<br />
VIII-4
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Portanto:<br />
Ex2:<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
jω jω jω<br />
20.log G( jω) = 20.log K + 20.log 1+ ω<br />
− 20.log 1+ ω<br />
− 20.log1 +<br />
ω<br />
Seja G( s) = 1+ τiS →<br />
jω<br />
G( jω)<br />
= 1+<br />
:<br />
ωi<br />
20.log G( jω)<br />
= 20.log 2<br />
ω<br />
1+<br />
ωi<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
3 1 2<br />
Atribuindo-se valores para a freqüência “ω”, obtém-se os valores do módulo de G(jω).<br />
Obs:<br />
Esta aproximação é válida para pólos e zeros reais, porém para valores complexos podem ocorrer<br />
erros significativos dependendo do coeficiente de amortecimento ζ.<br />
Sejam os seguintes fatores formadores de uma função de transferência genérica:<br />
• GANHO CONSTANTE;<br />
• PÓLOS E ZEROS NA ORIGEM;<br />
• PÓLOS E ZEROS REAIS E DIFERENTES DE ZERO;<br />
• PÓLOS E ZEROS COMPLEXOS.<br />
8.3.1- GANHO CONSTANTE “K”<br />
- Módulo:<br />
- Fase:<br />
- Módulo: dB = 20.log K<br />
- Fase: → 0 0<br />
ω 0 0,5ωi ωi 5ωi 10ωi 20ωi 100ωi<br />
dB 0 0,97 3,01 14,15 20,04 26,03 40<br />
8.3.2 - PÓLOS E ZEROS NA ORIGEM<br />
1<br />
G( jω) = jω G(<br />
jω)<br />
=<br />
jω<br />
- Zeros:<br />
Módulo: dB = 20.log jω<br />
− −<br />
Fase: jω = tg ω 0 → jω = tg ∞ = 90<br />
1 1 0<br />
ωi → FREQÜÊNCIA DE CORTE.<br />
“Constante<br />
VIII-5
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
- Pólos:<br />
Observação:<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
Módulo: dB = −20.log jω<br />
Fase:<br />
Representação G ráfica:<br />
ω 0,1 1 10 100<br />
dB -20 0 +20 +40<br />
1 1 1 1<br />
= = = = −90<br />
−1 − 1 0<br />
jω tg ω 0 tg ∞ 90<br />
PÓLOS E ZEROS MÚLTIPLOS NA ORIGEM<br />
G j j N<br />
N<br />
( ω) = ω → dB = 20.log. jω = 20.<br />
N.logω<br />
0<br />
Fase = N.90 0<br />
8.3.3- PÓLOS E ZEROS REAIS E DIFERENTES DE ZERO<br />
- Zeros:<br />
G( jω)<br />
= 1+<br />
jω<br />
ωi<br />
Módulo: dB = G j = +<br />
i<br />
⎛ ω ⎞<br />
20.log. ( ω)<br />
20.log 1 ⎜ ⎟<br />
⎝ω<br />
⎠<br />
Fase: G( jω) = tg<br />
−1<br />
ω<br />
ωi<br />
ω ωi 0,05 0,1 0,5 1,0 5,0 10,0 50,0 100,0<br />
tg ω ωi 2,9 0 5,7 0 26,6 0 45 0 78,7 0 84,3 0 88,8 0 89,4 0<br />
Aprox G( jω<br />
) 0 0 0 0 - 45 0 - 90 0 90 0 90 0<br />
2<br />
“Constante<br />
jω<br />
G( jω)<br />
= 1+<br />
ωi<br />
1<br />
G( jω)<br />
=<br />
jω<br />
1+<br />
ωi<br />
VIII-6
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
- Pólos:<br />
Observação:<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
Módulo: dB = − +<br />
i<br />
⎛ ω ⎞<br />
20log 1 ⎜ ⎟<br />
⎝ω<br />
⎠<br />
Fase: G( jω) = −tg ω<br />
ωi<br />
−1<br />
Representação Gráfica:<br />
Zeros Pólos<br />
Pólos e Zeros Reais Múltiplos:<br />
N<br />
⎛ jω⎞<br />
G( jω)<br />
= ⎜1<br />
+ ⎟ → dB = N +<br />
⎝ ωi<br />
⎠<br />
i<br />
⎛ ω ⎞<br />
20. .log 1 ⎜ ⎟<br />
⎝ω<br />
⎠<br />
8.3.4- PÓLOS E ZEROS COMPLEXO<br />
- Pólos:<br />
Módulo:<br />
dB =<br />
j j<br />
+ +<br />
n n<br />
⎛<br />
1<br />
20.log<br />
⎞<br />
1 2ζ<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
ω ω<br />
ω ω<br />
⎛ ⎞<br />
dB = − ⎜ − ⎟ +<br />
⎝ n ⎠<br />
n<br />
⎛<br />
2<br />
ω<br />
⎞<br />
20.log 1 ⎜2ζ<br />
⎟<br />
2<br />
ω ⎝ ⎠<br />
ω<br />
ω<br />
2<br />
2<br />
;<br />
2 2<br />
Fase =<br />
N. tg<br />
−1<br />
ω<br />
ω i<br />
j j<br />
G( jω)<br />
ζ<br />
n n<br />
G( j )<br />
j j<br />
n n<br />
ω ω<br />
ω ω<br />
ω<br />
ζ ω<br />
= + +<br />
ω<br />
ω ω<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
=<br />
+ + ⎛<br />
1 2<br />
1<br />
⎞<br />
1 2 ⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
2<br />
2<br />
2<br />
VIII-7
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
ω > ω → = − ⎜ ⎟<br />
⎝ω<br />
⎠<br />
+<br />
ω<br />
ω<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
n dB 20.log ⎜ ⎟ → dB = −20.log<br />
⎜ ⎟<br />
n ⎝ n⎠<br />
⎝ n⎠<br />
dB = −40.log n<br />
ω<br />
ω<br />
Fase:<br />
− tg<br />
−1<br />
2ζ<br />
ω ω<br />
n<br />
2<br />
( )<br />
1−<br />
ω<br />
ω<br />
n<br />
4 2 2<br />
As curvas do módulo e fase de Pólos e Zeros complexos mostrados, demonstram que a aproximação<br />
destas curvas por retas assintóticas podem levar a erros grosseiros na região ω ≈ ωn.<br />
A freqüência ω = ωn é chamada de freqüência de canto. Nesta freqüência, a fase é - 90 0 para os<br />
pólos e + 90 0 no caso de Zeros, independente do coeficiente de amortecimento “ζ“.<br />
Observação:<br />
Existe um outro termo que está presente em alguns sistemas de controle. É o ATRASO DE<br />
TRANSPORTE. Este, é caracterizado por um tempo morto entre a medida de uma determinada variável a<br />
VIII-8
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
ser controlada, e a ação do controlador e/ou atuador no sentido de corrigir esta variável. Os Atrasos de<br />
Transporte existem principalmente em sistemas Térmicos, Hidráulicos e Pneumáticos.<br />
A função de transferência do atraso de transporte é diferente das estudadas até aqui. As funções<br />
de transferência com atraso de transporte não podem ser analisadas pelos métodos vistos, como por<br />
exemplo, o critério de Estabilidade de Routh-Hurwitz.<br />
C( s)<br />
−t 0S − jωt0 E( s)<br />
= = e → G ( jω) = e → G( jω) = 1 −ωt<br />
0<br />
E( s)<br />
8.4- CRITÉRIO DE ESTABILIDADE DE NYQUIST<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
Módulo: 20.log 1=<br />
∅<br />
Fase: − ωt rad → − 53, 7ωt<br />
graus<br />
0 0<br />
O Critério de Estabilidade de Nyquist relaciona a resposta em freqüência de malha-aberta<br />
G(jω)H(jω) ao número de pólos e zeros de 1 + G(s)H(s) que estão no semiplano direito do plano “S”.<br />
Com o uso de critério, a estabilidade absoluta do sistema em malha-fechada pode ser determinada<br />
graficamente a partir da resposta em freqüência de malha-aberta.<br />
O Critério de Estabilidade de Nyquist, é baseado no mapeamento de uma função F(s) do plano<br />
complexo “S” para o plano F(s). Desta forma, cada ponto do plano “S” é mapeado no plano “F(s)”.<br />
Considere o seguinte sistema:<br />
O ponto S =1 + j2 é então mapeado no Plano F(s).<br />
C( t) = e( t − t ).. μ ( t − t ) → C ( s) = E( s). e<br />
0 0<br />
C( s)<br />
E s<br />
F( s) = 1 + G( s). H( s)<br />
F( s)<br />
6<br />
= 1 +<br />
(S + 1)(S + 2 )<br />
F( 1+ j2) = 11 , − j0,<br />
58<br />
Seja agora a função F(s) = S − S0 . Deseja-se mapear uma curva centrada em S0, do plano “S”<br />
para o plano “F(s)”.<br />
e<br />
t S<br />
( ) = − 0<br />
− t0S VIII-9
Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />
Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Seja agora, F( s) = ( S − S ) . ( S − S )<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
F(s) = S − S0<br />
1<br />
F( s)<br />
=<br />
S −S<br />
0<br />
F( s) = S− S0 . S− S0<br />
F( s)<br />
=<br />
1<br />
S −S<br />
. − S −S<br />
0 1 :<br />
( ) ( )<br />
F( s) = S− S . S− S<br />
0 1<br />
F( s)<br />
=<br />
0<br />
1<br />
( )<br />
( S −S ) . ( S −S<br />
)<br />
0 1<br />
0<br />
VIII-10<br />
Pelos mapeamentos mostrados, pode-se concluir que quando o contorno “C” do plano “S”<br />
envolve “X” zeros de F(s), o contorno “B” do plano F(s), envolve a origem “X” vezes no sentido horário.<br />
Caso o contorno “C” envolva “Y” pólos de F(s), o contorno “D” do plano F(s), envolve a origem “Y”<br />
vezes no sentido anti-horário. Portanto, existe uma relação definida entre o número de pólos e zeros<br />
dentro do contorno “C” do plano “S” e o número e a direção do envolvimento da origem no plano F(s).<br />
Esta discussão sobre mapeamento de funções é baseada no Teorema de Cauchy (Princípio do<br />
Argumento).<br />
Teorema de Cauchy:<br />
C<br />
Seja F(s) uma relação de Polinômios em “S”. Seja um contorno “C” no plano “S” mapeado num<br />
contorno “B” no plano F(s). Se F(s) é analítica dentro do contorno “C”, exceto para um número finito de<br />
pólos e se F(s) não possui pólos e zeros sobre “C”, então:<br />
N = Z − P<br />
N > 0 → Sentido Horário<br />
N < 0 → Sentido Anti-Horário<br />
Z → N o de zeros de F(s) dentro do contorno “C”;<br />
P → N o de pólos de F(s) dentro do contorno “C”;<br />
N → N o de envolvimentos da origem do plano F(s)<br />
no mesmo sentido de “C” (sentido horário).<br />
O Critério de Estabilidade de Nyquist é baseado no teorema de Cauchy e na abordagem do<br />
mapeamento de funções.<br />
Suponha que F(s) = 1 + G(s).H(s) (equação característica). Suponha também que a curva do<br />
plano “S” a ser mapeada, é composta do eixo imaginário (jω) e um arco com raio infinito. Desta forma<br />
todas as raízes com parte real positiva do plano “S” são envolvidas pela curva “C”.
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Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Prof. Hélio Leães Hey - 1997<br />
F(s) = 1 + G(s).H(s) G(s).H(s)<br />
VIII-11<br />
CAMINHO NYQUIST DIAGRAMA NYQUIST<br />
Neste exemplo, o mapeamento envolve a origem (ou o ponto −1) 2 vezes no sentido horário,<br />
portanto N = 2.<br />
Portanto: Z ≥ 2 e o sistema é instável.<br />
8.4.1- VANTAGEM DO CRITÉRIO DE ESTABILIDADE DE NYQUIST SOBRE O<br />
CRITÉRIO DE ESTABILIDADE DE ROUTH-HURWITZ<br />
Para a analise de estabilidade de um sistema pelo critério de estabilidade de Routh-Hurwitz é<br />
necessário que se conheça a expressão da equação característica do sistema, a qual sempre considera<br />
algumas simplificações em algum componente do sistema.<br />
Já para análise da estabilidade pelo critério de Nyquist, o diagrama de Nyquist pode se obtido<br />
experimentalmente pela resposta em freqüência do sistema físico.<br />
8.4.2- APLICAÇÕES DO CRITÉRIO DE NYQUIST<br />
5<br />
1) Seja a Função G( s). H( s)<br />
=<br />
( S + 1) 2 ⇒<br />
Se ω = 0 → G(0).H(0) = 5 (ganho CC)<br />
G( jω). H( jω)<br />
=<br />
G( jω). H( jω)<br />
=<br />
5<br />
( jω<br />
+ )<br />
1 2<br />
5<br />
+ +<br />
( jω 1)( jω<br />
1 )<br />
Cada fator do denominador aumenta o seu módulo de zero para ∞, (ω→ 0 → ∞) e o ângulo de<br />
cada fator aumenta de 0 0 para 90 0 .<br />
Desta forma o módulo de G( jω). H( jω<br />
) diminui de 5 para 0 e o ângulo G( jω). H( jω<br />
) diminui de<br />
0 0 para -180 0 .<br />
Z = 2 + P<br />
Como o diagrama de Nyquist não corta o<br />
eixo Real, visto que o menor ângulo é 180 0 , o<br />
sistema é estável para qualquer valor positivo do<br />
ganho K, que se adicione ao sistema.
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Apostila de Sistemas de Controle I<br />
50<br />
Seja a Função G( s). H( s)<br />
=<br />
( S + 1) ( S+<br />
10)<br />
Se ω = 0 → G(0).H(0) = 5<br />
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2 ⇒<br />
G( jω). H( jω)<br />
=<br />
50<br />
2<br />
( jω + 1) ( jω<br />
+ 10)<br />
VIII-12<br />
Da mesma forma que no caso anterior cada termo do denominador aumenta o seu módulo de 0 →<br />
∞ e o seu ângulo de 0 0 → 90 0 .<br />
para -270 0 .<br />
Portanto o módulo de G( jω). H( jω<br />
) diminui de 5 para 0 e o ângulo G( jω). H( jω<br />
) diminui de 0 0<br />
Obs:<br />
Para a definição do ponto em que o diagrama de N corta o eixo<br />
real, existe 2 procedimentos:<br />
1- Pela obtenção da Resposta em freqüência experimental;<br />
2- Pelo critério de Routh-Hurwitz.<br />
Pelo critério de Routh-Hurwitz, utiliza-se o seguinte procedimento:<br />
- Adiciona-se um ganho K na equação característica do sistema: 1+ K. G( s). H( s)<br />
= 0<br />
- Por Routh-Hurwitz determina-se o valor de K = K1 para o qual o sistema é<br />
marginalmente estável, e desta forma:<br />
1<br />
1+ K1. G( jω1). H( jω<br />
1)<br />
= 0<br />
G( jω1). H( jω1)<br />
= −<br />
K<br />
- Para saber-mos o valor de “ω1”, recorre-se a equação auxiliar de Routh-Hurwitz.<br />
8.5- ESTABILIDADE RELATIVA E DIAGRAMA DE BODE<br />
Já foi mencionado que o modelo matemático representativo de um dado sistema nunca é exato. As<br />
vezes o modelo de um sistema pode indicá-lo como estável e na realidade o sistema físico é instável. Por<br />
esta razão, geralmente exige-se que além do sistema ser estável deve haver uma margem de segurança a<br />
respeito da estabilidade. Isto vem a ser a estabilidade relativa de um sistema, a qual é definida pela<br />
proximidade entre o cruzamento do diagrama de Nyquist com o eixo real e o Ponto “-1”. A estabilidade<br />
relativa de um sistema é medida através de três definições:<br />
• MARGEM DE GANHO;<br />
• MARGEM DE FASE;<br />
1
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Apostila de Sistemas de Controle I<br />
Margem de Ganho:<br />
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VIII-13<br />
É o fator pelo qual o ganho de malha aberta do sistema deve ser aumentado para tornar o sistema<br />
marginalmente estável. Se G(jω1) = -α então a margem de ganho será 1 α .<br />
Margem de Fase:<br />
É o menor ângulo com o qual o diagrama de Nyquist, deve ser rotacionado para intersectar o<br />
ponto -1.<br />
o<br />
θm = + Fase de G( j ω )<br />
180 2<br />
MARGEM DE FASE ⊕ → Sistema ESTÁVEL<br />
MARGEM DE FASE → Sistema INSTÁVEL<br />
MARGEM DE GANHO > 1 → Sistema ESTÁVEL<br />
MARGEM DE GANHO < 1 → Sistema INSTÁVEL
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8.6- DIAGRAMAS DE NYQUIST - CASOS ESPECIAIS<br />
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VIII-14<br />
Uma das condições para a aplicação do Teorema de Cauchy, é que a função F(s) a ser mapeada<br />
não pode apresentar pólos e zeros no contorno a ser mapeado. Portanto, este Teorema não pode ser<br />
aplicado a sistemas com pólos e zeros na origem, caso o contorno envolva esta origem.<br />
Para solucionar este problema, utiliza-se o seguinte artifício.<br />
Ex:<br />
ρ<br />
ρ θ<br />
→0<br />
Na Região I, substituí-se " S" e j +<br />
pelo lim , sabendo-se que “0 0 ≤ θ ≤ 90 0 ”.<br />
K<br />
G( s)<br />
j<br />
S= ρ + =<br />
e j j<br />
e e<br />
≈<br />
θ ρ θ ρ θ<br />
14 2 34<br />
1<br />
S e j +<br />
lim<br />
( 1+<br />
)<br />
= ρ<br />
→<br />
θ<br />
0<br />
ρ<br />
Somente na Região I<br />
K K<br />
→ G( s)<br />
j<br />
S= ρ + = e j = −<br />
e<br />
θ ρ θ ρ θ
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K<br />
j lim G( e ) = lim −<br />
ρ→0 ρ→0<br />
P<br />
ρ θ θ<br />
VIII-15<br />
Portanto, entre 0 0 ≤ θ ≤ 90 0 o mapeamento será um arco de raio ∞, devido ao fator desprezado<br />
no denominador, este arco ultrapassa um pouco os −90 0 .<br />
Ex:<br />
K<br />
G( s)<br />
=<br />
S(S<br />
)<br />
+1 2