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Capítulo 8 101kb - UFSM

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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”.


Projeto Reenge - Eng. Elétrica<br />

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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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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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 />

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