• Home
  • Chat IA
  • Guru IA
  • Tutores
  • Central de ajuda
Home
Chat IA
Guru IA
Tutores

·

Engenharia de Controle e Automação ·

Sistemas de Controle

· 2022/1

Envie sua pergunta para a IA e receba a resposta na hora

Recomendado para você

Lista 2-2022 1

18

Lista 2-2022 1

Sistemas de Controle

UFSC

Atividade de Sistemas de Controle

4

Atividade de Sistemas de Controle

Sistemas de Controle

UFSC

Implementacao de Preditor de Smith Discreto para Controle de Sistemas com Atraso - UFSC

1

Implementacao de Preditor de Smith Discreto para Controle de Sistemas com Atraso - UFSC

Sistemas de Controle

UFSC

Apostila Princípios de Sistemas de Controle

200

Apostila Princípios de Sistemas de Controle

Sistemas de Controle

UFSC

Exercicios Resolvidos Analise de Polos no Plano Complexo e Resposta ao Impulso

1

Exercicios Resolvidos Analise de Polos no Plano Complexo e Resposta ao Impulso

Sistemas de Controle

UFSC

Texto de pré-visualização

Todos os exercícios devem ser resolvidos utilizando ferramentas analíticas e de simulação aplicando as teorias e métodos estudados ao longo do curso. As respostas devem estar devidamente justificadas, apresentando também os cálculos realizados para a obtenção de cada solução. Exercício 1. Qual dos seguintes diagramas de espaço de estado, no plano (x, y), corresponde a cada um dos sistemas dinâmicos abaixo mostrados? Utilize ferramentas de análise matemática de sistemas não lineares para estudar os sistemas. Justifique a sua resposta para cada caso. (i) \(\begin{cases}\dot{x} = x\left(x^2+y^2-1\right)-y \\\dot{y} = y\left(x^2+y^2-1\right)+x \end{cases} \) (ii) \(\begin{cases}\dot{x} = y\\\dot{y}=x-y-x^3\end{cases} \) (iii) \(\begin{cases}\dot{x}=\left(y+\frac{x}{5}\right)\left(1-x^2\right)\\\dot{y} = -x\left(1-y^2\right)^2\end{cases} \) (iv) \(\begin{cases}\dot{x} = 0.4\left(1-x+2y\right)x\\\dot{y} = 0.6\left(1-y+0.3x\right)y \end{cases} \) A B C D Exercício 2. Considere o seguinte sistema dinâmico \[ \frac{dN}{dt} = r\,N\left( \frac{N}{k_0}-1 \right) \left(1-\frac{N}{k}\right) - q\,N \tag{1} \] que representa simplificadamente a dinâmica de uma população de peixes \((N)\) em um ambiente marinho, por exemplo “tainhas” no litoral de Santa Catarina, sujeita ação de uma pesca controlada modelada pelo termo: \(q\,N\) que representa a mortalidade de peixes devida à pesca, onde \(q>0\) é um parâmetro que mede a capacidade de captura de peixes, \(r>0\) é a taxa intrínseca de crescimento da população (nascimento – morte de peixes), \(k\) é capacidade de carga do sistema (máxima população de peixes que o sistema comporta) e \( k_0 < k \) representa um limiar da população de peixes a partir do qual a espécie cresce até alcançar a máxima capacidade de carga \(k\) do sistema. \(\begin{align*}\text{a) }&\text{Determine todos os equilíbrios do sistema considerando que está livre da ação predatória humana (período de proibição de pesca) i.e. } q=0. \text{ Classifique os equilíbrios encontrados de acordo a sua estabilidade.}\\\text{b) }&\text{Considere que existe uma ação de pesca (início da temporada de pesca) i.e. } q>0. \text{ Determine os novos equilíbrios do sistema.}\\\text{c) }&\text{Analise se o sistema apresenta bifurcações ao variar o parâmetro } q, \text{ ação de pesca. Um diagrama no plano } (N, dN/dt) \text{ da equação (1), considerando o termo } q\,N \text{ ao variar o parâmetro } q \text{ ajudará a deduzir graficamente os equilíbrios e as possíveis bifurcações. Para tal pode assumir que: } r=2, k=10, k_0=1.}\\\text{d) }&\text{Esboce o diagrama de bifurcações do sistema para o parâmetro } q \text{ e interprete os resultados da ação da pesca humana sobre a espécie de peixes considerada. Que aconteceria no sistema se existe uma excessiva pesca predatória? Qual é o valor crítico do parâmetro } q \text{ a partir do qual o sistema colapsa? Qual deveria ser a faixa de valores do parâmetro } q \text{ para garantir uma pesca sustentável?} \end{align*} Exercício 3. Um processo térmico é representado pelo seguinte modelo matemático simplificado: \[ \frac{dT}{dt} = f\left(T, \mu\right) = \mu+ T^3-T \] onde \(\mu\) é um parâmetro do sistema e \(T\) é a temperatura do processo. A função \(f(T)\) para \(\mu=0\) é apresentada na figura abaixo: a) Para \(\mu=0\), determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade. b) Para que condições iniciais de temperatura \(T(0)\), a temperatura ficará limitada? Explique. c) Analise o comportamento dinâmico do sistema quando de variações do parâmetro \(\mu\) (valores positivos e negativos). Explique que sucede com os equilíbrios do sistema ao variar o valor do parâmetro \(\mu\). Para entender melhor o comportamento dinâmico do sistema faça um diagrama que mostre a variação dos equilíbrios em função do parâmetro \(\mu\) (diagrama de bifurcações). d) Que classe de bifurcações podem aparecer no sistema ao variar o parâmetro \(\mu\). Exercício 4. Um gerador elétrico (máquina síncrona) conectado a uma rede elétrica (grid) pode ser modelado de forma simplificada através das equações da dinâmica do rotor do gerador: \[ J \frac{d^2\delta}{dt^2} = P_m-P_e=P_m-\frac{EV}{X}\sin \delta-D\omega \] \[ \frac{d\delta}{dt}=\omega \] onde \(\delta\) é o ângulo de fase entre \(V\) e \(E\) sendo \(V\) a tensão da rede e \(E\) a tensão do gerador; \(\omega\) representa a velocidade de rotação da máquina; \(P_m\) é a potencia mecânica; \(P_e\) é a potencia elétrica; \(X\) é a reatância da linha; \(J\) e \(D\) são, respectivamente, o momento de inércia e fator de amortecimento do gerador. O parâmetro \(a = \frac{P_{max}}{P_m} = \frac{EV}{X P_m}\) é definido como a relação entre a potência máxima \((P_{max})\) e a potência mecânica \((P_m)\). \begin{align*} a) &\; \text{Analise os equilíbrios deste sistema determinando a sua estabilidade. Para facilitar os cálculos redefina o sistema em função do parâmetro } a.\\ b) &\; \text{Em função da análise anterior trace um diagrama de bifurcações para o parâmetro } a \text{ que permita entender o comportamento dinâmico do sistema. Qual é o tipo de bifurcação que acontece no sistema? } Explique. \end{align*} Exercício 5. O modelo matemático simplificado de um sistema utilizado em biologia para representar a dinâmica de um sistema biestável é representado pela seguinte equação não linear \[ \dot{x} = f(x, u) = x-x^3+\mu \] com \(x(t)\) a variável de excitação do sistema. \begin{align*} a) &\; \text{Para } \mu=0, \text{ determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade.} \\ b) &\; \text{Em função das condições iniciais } x(0), \text{ explique por que o sistema é biestável? Explique utilizando os seguintes diagramas: (i) dos equilíbrios no plano } (x, f(x)); \text{ e (ii) no domínio do tempo } (t, x(t)), \text{ mostrando todos os equilíbrios e a sua região de atração.} \\ c) &\; \text{Analise o comportamento dinâmico do sistema quando varia o parâmetro } \mu, -1<\mu<1. \text{ Explique que sucede com os equilíbrios do sistema ao variar o valor de } \mu. \\ d) &\; \text{Esboce o diagrama de bifurcações considerando } \mu \text{ como sendo o parâmetro de bifurcação e indique no diagrama as possíveis bifurcações do sistema.} \end{align*} Exercício 6. Uma bolinha de massa \(m\) move-se ao longo de um fio circular de raio \(r\), que gira com velocidade angular \(\omega\) constante em torno do eixo vertical de simetria, como mostrado na Figura abaixo. Esse eixo é paralelo à aceleração da gravidade \(g\). Deseja-se controlar a posição da bolinha variando \( \omega \). O ângulo \( \theta \) expressa a posição da bolinha com relação ao ponto “mais baixo” do fio, tomado como \( \theta = 0 \). No ponto “mais alto”, tem-se \( \theta = \pi \). Sendo \( b \) o coeficiente de atrito entre a bolinha e o fio, a equação que governa a variação de \( \theta \) é dada por \[ \ddot{\theta} = \sen \theta \left( a \cos \theta - 1 \right) - b \dot{\theta} \] \[ a = \frac{r \omega^2}{g} \] onde a) Encontre o modelo por espaço de estados. Analise os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. b) Para variação do parâmetro \( a \) (parâmetro de bifurcação) trace o diagrama de bifurcação. Explique que tipo de bifurcação apresenta o sistema ao variar este parâmetro. c) Represente os diagramas de espaço de estado, no plano \((x_1,x_2)\) para 2 valores diferentes do parâmetro \( a \) (para \( a<1 \) e para \( a>1 \)). Explique. Dicas: 1. Considere que o ângulo \( \theta \) está definido entre \(-\pi < \theta < \pi \). 2. Utilize as seguintes identidades trigonométricas para estudar a estabilidade dos equilíbrios. Lembrando que \(-1< \cos x <1\). \[ \cos(2x) = 2 \cos^2 x - 1 \] \[ \sen(2x) = 2 \sen x \cos x \] Exercício 7. A seguinte equação diferencial não linear representa muito simplificadamente a dinâmica de um LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) de He-Ne (hélio-neón) (vide após a prova explicação da obtenção do modelo no livro de Sistemas Dinâmicos, Monteiro, pp. 322-325) \[ \dot{x} = \left( \mu - a \right)x - bx^2 \] once \( x > 0 \) representa o número de fótons coerentes do LASER, a constante \( a > 0 \) relaciona-se com o tempo de vida típico de um fóton coerente na região do meio ativo e o parâmetro \( \mu > 0 \) representa, de forma proporcional, o número crítico de fótons excitados acima do qual existe emissão estimulada de fótons coerentes. Considere o parâmetro \( b >0 \). a) Analise o sistema quando de variação do parâmetro \( \mu \). b) Trace o diagrama de bifurcações considerando o parâmetro \( \mu \) como sendo o parâmetro de bifurcação. Explique. Exercício 8. Para o sistema \[ \dot{x} = y \] \[ \dot{y} = \left[(x+1)^2 - \mu + y\right]\left[(x-1)^2 + \mu + y\right] \] a) Mostre que tem 2 equilíbrios para todo valor do parâmetro \( \mu \). b) Que bifurcações tem lugar para \( \mu=0 \)? Explique mediante um diagrama de bifurcações. c) Explique qual é a diferença entre um equilíbrio hiperbólico e um não-hiperbólico. Quais são as consequências para a análise de estabilidade dos equilíbrios do sistema não linear? Enuncie o Teorema de Hartman-Grobman. Exercício 9. Considere o seguinte sistema a) Determine o modelo por variáveis de estado do sistema da figura acima mostrada, sendo \( y(t) \) a saída e \( u(t) \) a entrada do sistema. b) Supondo \( u=0 \), encontre todos os equilíbrios do sistema. c) Classifique os equilíbrios encontrados de acordo a sua estabilidade. d) Esboce o diagrama de espaço de estado do sistema indicando os pontos de equilíbrio e as trajetórias próximas aos equilíbrios. e) Explique qual é a diferença entre um equilíbrio hiperbólico e um não-hiperbólico. Quais são as consequências para a análise de estabilidade dos equilíbrios do sistema não linear? Exercício 10. O modelo matemático simplificado de um sistema térmico é representado pela seguinte equação não linear cujo espaço de estados é de dimensão 1, \[ \dot{x} = f(x,u) = x(x-1)(2-x) + u \] \[ y = x \] com \( y(t) \) sendo a temperatura de saída do processo. A função \( f(x,u) \) para o valor da entrada \( u=0 \) é mostrada na figura abaixo. a) Para \( u(t)=0 \), determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade. b) Faça um diagrama de \( y(t) \) em função do tempo \( t \) mostrando as trajetórias do sistema. Para que condições iniciais \( x(0) \), a saída do sistema tenderá a \( x=2 \)? Explique. c) Construa um diagrama de bifurcações considerando a entrada \( u(t) \) como sendo um parâmetro de bifurcação. d) Para que valores da entrada \( u(t) \), o sistema apresentará somente 1 equilíbrio. Explique. Exercício 11. Analise o seguinte sistema dado em coordenadas polares \((r, \theta)\) \[ \dot{r} = r \left( \lambda + 2r^2 - r^4 \right) \] \[ \dot{\theta} = 1 \] d) Para variação do parâmetro \( \lambda \) trace o diagrama de bifurcações. Explique que tipo de bifurcações apresenta o sistema ao variar este parâmetro. e) Aplicando a seguinte mudança de variáveis \[ x = r \cos \theta \] \[ y = r \sen \theta \] Represente os diagramas de espaço de estado, no plano \((x,y)\), para 3 valores diferentes do parâmetro \( \lambda \). Explique. Exercício 12. Em um dado processo industrial, uma das malhas de controle de temperatura tem um controlador do tipo liga-desliga. A malha de controle apresenta um ganho k e um relé de amplitude unitária conforme se mostra na figura abaixo A partir da análise da temperatura medida você detectou um ciclo limite na resposta de saída. A partir do traçado do diagrama polar de G(jw) obteve-se os seguintes pontos: K G(0 j) = 2 ; K G(0.707 j) = -5.65 j ; K G(j) = -2 Determine o valor aproximado da amplitude e da frequência do ciclo limite. Faça um esboço do diagrama polar ou de Nyquist. Explique. Exercício 13. Considere o seguinte sistema de controle realimentado ẋ1 = x2 ẋ2 = -2x1 - 5x2 + φ(x3) ẋ3 = k (yr - x1) φ(x3) = x3³/3 y(t) = x1 ; k > 0 a) Represente o sistema mediante um diagrama de blocos. b) Determine os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. c) Analise o sistema quando da variação do sinal de referência yr. Para simplificar suponha k=1. d) Esboce o diagrama de bifurcações para o sistema considerando yr como parâmetro de bifurcação, variando yr no intervalo [-2, 2]. Indique no diagrama as bifurcações que possa encontrar. Caso detecte a presença de uma bifurcação de Hopf assuma que esta é supercrítica (gera um ciclo limite estável). Explique. Exercício 14. Analise o sistema anterior utilizando o método da função descritiva. Considere a referência do sistema yr = 0. Calcule a função descritiva da não linearidade φ(x3) = x3³/3 sabendo que ∫0²π sin(ωt)⁴dt = 3π/4 Lembrar que para funções impares o coeficiente A1=0 na serie de Fourier e que B1 = 1/π ∫0²π φ(Asin(ωt)) sin(ωt)dωt a) Determine se existe um ciclo limite a partir do diagrama de Nyquist. Esboce o diagrama de Nyquist indicando cada uma das funções. b) Determine a amplitude e frequência do ciclo limite. Exercício 15. Considere o seguinte sistema realimentado (vide figura abaixo) representando um motor CC cuja função de transferência é G(s) = 4/s(s+1)(s+2) Este sistema é controlado por um controlador proporcional com ganho k e apresenta uma função não linear estática com amplitude unitária e zona morta (-h, h), cuja função é definida como segue: φ(u) = { 1 u > h 0 -h < u < h -1 u < -h sendo sua função descritiva dada por: N(A) = { 0 A < h 4/πA √1-h²/A² A ≥ h A* = √2 h para se ter N(A*)max = 2/π h a) Analise a possibilidade da existência de ciclos limites no sistema aplicando o método da função descritiva. Considere inicialmente que a referência yr(t)=0. b) Esboce o diagrama de Nyquist mostrando o lugar geométrico das funções da planta e da inversa da função descritiva da não linearidade. Quantos ciclos limites podem existir. Explique. c) Considere h=1. Para que faixa de valores do parâmetro k existirá um ciclo limite estável? d) Para h=1 e k=50 determine a amplitude (Ac) e a frequência (wc) do ciclo limite. e) É possível escolher o parâmetro h de forma que o sistema em malha fechada NÃO apresente oscilações (ciclos limites), quando da análise realizada com o método da função descritiva. f) Analise que sucede com a resposta do sistema quando varia a referencia yr(t). Para isto, determine os equilíbrios do sistema em malha fechada. Utilize a representação por variáveis de estado do sistema em malha fechada sendo a saída do sistema y(t)=x1(t). Exercício 16. O controle da potência de saída x(t) de um telefone celular é crítico para se ter um bom desempenho do sistema. Não se deseja usar uma potência muito grande, já que outros canais são afetados e a duração da bateria diminui. Para isto, as informações sobre a potência recebida são enviadas de volta para o transmissor e são usadas para controlar a potência. Um esquema simples é cujo modelo é: dx/dt = α u(t) ẏ = −sign[y(t−L)], α, β > 0 y(t) = β x(t) onde os sinais foram transformados de modo que x = 0 corresponde à potência de saída nominal e a função sign corresponde a um relé de amplitude unitária (M=1). Use uma função descritiva para prever a amplitude e a frequência do possível ciclo limite na variável y(t). a) Determine as expressões matematicas que permitem calcular a frequência e a amplitude critica em função dos parâmetros: α, β, L. b) Esboce o diagrama polar do sistema mostrando a função G(jw) e a inversa da função descritiva do relé. Para tal assuma que α = β = L =1. Explique. Dica: representar G(jw) com módulo e fase facilita muito os cálculos. Exercício 17. Provar que o seguinte sistema dinâmico ẋ1 = x2 (1 + x1³) ẋ2 = −3x1 - 3x1⁴ - x2³ tem um ponto de equilíbrio em (0,0) e que este equilíbrio é assintoticamente estável. Para tal utilize a seguinte função candidata de Lyapunov V = 0.5 (a x1² + b x2²) podendo escolher os valores dos parâmetros a e b. A estabilidade do equilíbrio (0, 0) é LOCAL ou GLOBAL?. Justifique a sua resposta. Dica: estudar os equilíbrios do sistema. Exercício 18. Seja o seguinte sistema dinâmico \( \dot{x} = y \) \( \dot{y} = -x^3 - y(4 - x^2 - 4y^2) \) e) Determine todos os equilíbrios deste sistema e a sua estabilidade. Se for preciso utilize a seguinte função de Lyapunov candidata: \( V(x,y) = \frac{(y - \bar{y})^2}{2} + \frac{(x - \bar{x})^4}{4} \) representando (x, y) o equilíbrio considerado. f) Faça um esboço do diagrama de espaço de estados mostrando a região de atração do equilíbrio (0, 0). Exercício 19. Um oscilador pode ser construído mediante a interconexão de um sistema de primeira ordem linear com um tempo de atraso L e um relé, vide figura abaixo. O sistema linear é \( G(s) = \frac{k e^{-Ls}}{s+1} \) e a função \(\varphi(.)\) é um relé com amplitude 1, i.e. \(\varphi(x) = sgn(x)\). a) Determine as expressões matemáticas gerais que permitem calcular a frequência e a amplitude crítica do oscilador em função dos parâmetros k e L. b) Esboce o diagrama polar do sistema mostrando a função \(G(jw)\) e a inversa da função descritiva do relé. Explique. c) Deseja-se ter uma oscilação de amplitude = 5 volts e frequência = 20Hz. Determine os valores de K e L para obter este sinal na saída do oscilador. Dica: representar \(G(jw)\) com módulo e fase. Também pode utilizar a seguinte identidade \(e^{-j\omega L} = \cos(\omega L) - j\sin(\omega L)\) Exercício 20. Analise o seguinte sistema (equação de Rayleigh): \(\ddot{\theta} + \dot{\theta}(\dot{\theta}^2 - \mu) + \theta = 0\) a) Estudando os autovalores da matriz jacobiana do sistema calculada no ponto de equilíbrio, mostre que este sistema sofre uma bifurcação de Hopf para \(\mu_c = 0\). b) Faça o diagrama de bifurcações para o parâmetro \(\mu\). c) Esboce o diagrama de espaço de estado para três valores do parâmetro \(\mu\): i) \(\mu < \mu_c\); ii) \(\mu = \mu_c\); iii) \(\mu > \mu_c\) Exercício 21. O circuito abaixo é utilizado para ativar um arco elétrico (A) cuja característica tensão-corrente \(Va(I)\) é mostrada na figura abaixo. As variáveis de estado são \(x(t) = I\) e \(y(t) = V\). Para simplificar a análise, suponha que: \(E = 100; V_a(I)_{max} = 100\) (valor máximo da curva). Equações do sistema: \(L \dot{x} = y - V_a(x)\) \(C \dot{y} = \frac{E-y}{R} - x\) a) Para o caso que R = 1Ω. Determine os equilíbrios e as condições para operação estável em um dos pontos equilíbrios do sistema. b) Mostre os equilíbrios do sistema sobre o gráfico \(V_a(I)\). c) Analise as possíveis bifurcações ao variar o valor da resistência R. d) Faça um diagrama de bifurcações para o parâmetro R. Exercício 22. O modelo matemático de um dado sistema é representado pela seguinte equação não linear \( \dot{x} = f(x, \alpha, \mu) = \alpha + \mu x - x^3 \) sendo \(\alpha, \mu\) dois parâmetros do sistema. Os dois diagramas abaixo foram construídos após fazer uma análise matemática do sistema e permitem compreender o comportamento dinâmico do sistema ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\). a) Explique o comportamento deste sistema dinâmico ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\). Para isto, determine os pontos de equilíbrio do sistema e analise a sua estabilidade, ao variar os parâmetros do sistema. b) Que tipos de bifurcações aparecem no sistema ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\)? Dica: Para determinar os equilíbrios do sistema considere as funções: \(y_1 = \mu x - x^3 \); \(y_2 = -\alpha\) e resolva o problema de forma gráfica. Exercício 23. Um circuito PLL - Phase Locked Loop, traduzido como malha de sincronismo de fase, é um dos blocos construtivos de um receptor de rádio. Também é um circuito muito utilizado na sincronização de relógios em redes de telecomunicações. A figura abaixo mostra um diagrama de blocos simplificado deste sistema onde \(F(s)\) representa a função de transferência de um filtro. A função do PLL consiste em sincronizar a fase do sinal de saída \(\theta_o\) com a fase do sinal de entrada \(\theta_i\), de forma que o erro de fase seja constante \(\psi = \theta_i - \theta_o\), i.e. \(d\psi/dt = d\theta_i/dt - d\theta_o/dt = 0\). a) Um PLL de 1ª ordem utiliza uma função \(F(s) = k\), com \(k > 0\). Considerando o erro de fase \(\psi\) como uma variável de estado, derive a equação diferencial para \(\psi\). b) Quando recebemos um sinal com o rádio, um sinal tipo rampa é aplicado na entrada \(\theta_i = \gamma t\). Determine para este caso os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. Trace o diagrama de bifurcações. ções considerando γ/k como parâmetro de bifurcação. Qual é o maior valor de γ > 0 para que existam equilíbrios de erro ψ. c) Um PLL de 2ª ordem pode ser implementado mudando o filtro F(s) para F(s) = \frac{k}{s + a}, \quad k, a > 0 Derive as equações do sistema, considerando que x_1 = ψ, x_2= dψ/dt, e prove utilizando a função candidata de Lyapunov com P > 0, que o equilíbrio é estável. V(x_1, x_2) = 1 - \cos(x_1) + \frac{1}{2} Px_2^2 Exercício 24. Investigue a estabilidade do seguinte sistema dinâmico aplicando o método da função de Lyapunov para o equilíbrio (x, y) = (0, 0). \dot{x} = -x(1-x^2)(1-y^2) \dot{y} = -y(1-x^2)(1-y^2) Utilize uma função de Lyapunov quadrática. Indique qual é o tipo de estabilidade (estável, assintoticamente estável, local ou global). Explique. Exercício 25. Mostre que o equilíbrio (0, 0) do sistema dinâmico \dot{x}_1=\mu x_1 - x_2 + x_1 x_2^2 \dot{x}_2=x_1 + \mu x_2 + x_2^3 apresenta uma bifurcação de Hopf para \mu=0. Para tal faça uma mudança de variáveis para coordenadas polares e estude o sistema nestas novas variáveis de estado. Complete a questão com simulações realizadas no Matlab / Simulink / pplane9. Explique. Justifique. Exercício 26. O método de sintonia automática de Ziegler-Nichols para controladores PID, baseado na resposta em frequência do sistema, consiste basicamente em colocar um elemento não-linear (relé com o sem histerese) no lugar do controlador PID (vide figura abaixo), para que o sistema, em malha fechada, apresente uma resposta oscilatória (ciclo limite). Assuma que M=1 na função descritiva do relé. A partir da frequência de oscilação \omega_c = \frac{2 \pi}{T_{osc}} e do ganho K_{osc} = N(Ac), onde \omega_c e Ac são a frequência crítica e a amplitude critica, respectivamente, da oscilação na entrada do relé, podem ser determinados os parâmetros do controlador PID utilizando as seguintes fórmulas: Parâmetro | Valor --- | --- K | 0.6 Kosc Ti | 0.5 Tosc Td | 0.125 Tosc a) Determine os parâmetros do controlador PID para o processo modelado pela seguinte função de transferência: G(s) = \frac{10}{s^3 + 2s^2 + s} b) Esboce o diagrama polar mostrando o lugar geométrico das funções G(jω) e da função descritiva da não linearidade. c) Aplique o método ao sistema anterior sem integrador? Caso não for possível, qual a mudança a ser realizada para adaptá-lo a este novo caso. Justifique.

Envie sua pergunta para a IA e receba a resposta na hora

Recomendado para você

Lista 2-2022 1

18

Lista 2-2022 1

Sistemas de Controle

UFSC

Atividade de Sistemas de Controle

4

Atividade de Sistemas de Controle

Sistemas de Controle

UFSC

Implementacao de Preditor de Smith Discreto para Controle de Sistemas com Atraso - UFSC

1

Implementacao de Preditor de Smith Discreto para Controle de Sistemas com Atraso - UFSC

Sistemas de Controle

UFSC

Apostila Princípios de Sistemas de Controle

200

Apostila Princípios de Sistemas de Controle

Sistemas de Controle

UFSC

Exercicios Resolvidos Analise de Polos no Plano Complexo e Resposta ao Impulso

1

Exercicios Resolvidos Analise de Polos no Plano Complexo e Resposta ao Impulso

Sistemas de Controle

UFSC

Texto de pré-visualização

Todos os exercícios devem ser resolvidos utilizando ferramentas analíticas e de simulação aplicando as teorias e métodos estudados ao longo do curso. As respostas devem estar devidamente justificadas, apresentando também os cálculos realizados para a obtenção de cada solução. Exercício 1. Qual dos seguintes diagramas de espaço de estado, no plano (x, y), corresponde a cada um dos sistemas dinâmicos abaixo mostrados? Utilize ferramentas de análise matemática de sistemas não lineares para estudar os sistemas. Justifique a sua resposta para cada caso. (i) \(\begin{cases}\dot{x} = x\left(x^2+y^2-1\right)-y \\\dot{y} = y\left(x^2+y^2-1\right)+x \end{cases} \) (ii) \(\begin{cases}\dot{x} = y\\\dot{y}=x-y-x^3\end{cases} \) (iii) \(\begin{cases}\dot{x}=\left(y+\frac{x}{5}\right)\left(1-x^2\right)\\\dot{y} = -x\left(1-y^2\right)^2\end{cases} \) (iv) \(\begin{cases}\dot{x} = 0.4\left(1-x+2y\right)x\\\dot{y} = 0.6\left(1-y+0.3x\right)y \end{cases} \) A B C D Exercício 2. Considere o seguinte sistema dinâmico \[ \frac{dN}{dt} = r\,N\left( \frac{N}{k_0}-1 \right) \left(1-\frac{N}{k}\right) - q\,N \tag{1} \] que representa simplificadamente a dinâmica de uma população de peixes \((N)\) em um ambiente marinho, por exemplo “tainhas” no litoral de Santa Catarina, sujeita ação de uma pesca controlada modelada pelo termo: \(q\,N\) que representa a mortalidade de peixes devida à pesca, onde \(q>0\) é um parâmetro que mede a capacidade de captura de peixes, \(r>0\) é a taxa intrínseca de crescimento da população (nascimento – morte de peixes), \(k\) é capacidade de carga do sistema (máxima população de peixes que o sistema comporta) e \( k_0 < k \) representa um limiar da população de peixes a partir do qual a espécie cresce até alcançar a máxima capacidade de carga \(k\) do sistema. \(\begin{align*}\text{a) }&\text{Determine todos os equilíbrios do sistema considerando que está livre da ação predatória humana (período de proibição de pesca) i.e. } q=0. \text{ Classifique os equilíbrios encontrados de acordo a sua estabilidade.}\\\text{b) }&\text{Considere que existe uma ação de pesca (início da temporada de pesca) i.e. } q>0. \text{ Determine os novos equilíbrios do sistema.}\\\text{c) }&\text{Analise se o sistema apresenta bifurcações ao variar o parâmetro } q, \text{ ação de pesca. Um diagrama no plano } (N, dN/dt) \text{ da equação (1), considerando o termo } q\,N \text{ ao variar o parâmetro } q \text{ ajudará a deduzir graficamente os equilíbrios e as possíveis bifurcações. Para tal pode assumir que: } r=2, k=10, k_0=1.}\\\text{d) }&\text{Esboce o diagrama de bifurcações do sistema para o parâmetro } q \text{ e interprete os resultados da ação da pesca humana sobre a espécie de peixes considerada. Que aconteceria no sistema se existe uma excessiva pesca predatória? Qual é o valor crítico do parâmetro } q \text{ a partir do qual o sistema colapsa? Qual deveria ser a faixa de valores do parâmetro } q \text{ para garantir uma pesca sustentável?} \end{align*} Exercício 3. Um processo térmico é representado pelo seguinte modelo matemático simplificado: \[ \frac{dT}{dt} = f\left(T, \mu\right) = \mu+ T^3-T \] onde \(\mu\) é um parâmetro do sistema e \(T\) é a temperatura do processo. A função \(f(T)\) para \(\mu=0\) é apresentada na figura abaixo: a) Para \(\mu=0\), determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade. b) Para que condições iniciais de temperatura \(T(0)\), a temperatura ficará limitada? Explique. c) Analise o comportamento dinâmico do sistema quando de variações do parâmetro \(\mu\) (valores positivos e negativos). Explique que sucede com os equilíbrios do sistema ao variar o valor do parâmetro \(\mu\). Para entender melhor o comportamento dinâmico do sistema faça um diagrama que mostre a variação dos equilíbrios em função do parâmetro \(\mu\) (diagrama de bifurcações). d) Que classe de bifurcações podem aparecer no sistema ao variar o parâmetro \(\mu\). Exercício 4. Um gerador elétrico (máquina síncrona) conectado a uma rede elétrica (grid) pode ser modelado de forma simplificada através das equações da dinâmica do rotor do gerador: \[ J \frac{d^2\delta}{dt^2} = P_m-P_e=P_m-\frac{EV}{X}\sin \delta-D\omega \] \[ \frac{d\delta}{dt}=\omega \] onde \(\delta\) é o ângulo de fase entre \(V\) e \(E\) sendo \(V\) a tensão da rede e \(E\) a tensão do gerador; \(\omega\) representa a velocidade de rotação da máquina; \(P_m\) é a potencia mecânica; \(P_e\) é a potencia elétrica; \(X\) é a reatância da linha; \(J\) e \(D\) são, respectivamente, o momento de inércia e fator de amortecimento do gerador. O parâmetro \(a = \frac{P_{max}}{P_m} = \frac{EV}{X P_m}\) é definido como a relação entre a potência máxima \((P_{max})\) e a potência mecânica \((P_m)\). \begin{align*} a) &\; \text{Analise os equilíbrios deste sistema determinando a sua estabilidade. Para facilitar os cálculos redefina o sistema em função do parâmetro } a.\\ b) &\; \text{Em função da análise anterior trace um diagrama de bifurcações para o parâmetro } a \text{ que permita entender o comportamento dinâmico do sistema. Qual é o tipo de bifurcação que acontece no sistema? } Explique. \end{align*} Exercício 5. O modelo matemático simplificado de um sistema utilizado em biologia para representar a dinâmica de um sistema biestável é representado pela seguinte equação não linear \[ \dot{x} = f(x, u) = x-x^3+\mu \] com \(x(t)\) a variável de excitação do sistema. \begin{align*} a) &\; \text{Para } \mu=0, \text{ determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade.} \\ b) &\; \text{Em função das condições iniciais } x(0), \text{ explique por que o sistema é biestável? Explique utilizando os seguintes diagramas: (i) dos equilíbrios no plano } (x, f(x)); \text{ e (ii) no domínio do tempo } (t, x(t)), \text{ mostrando todos os equilíbrios e a sua região de atração.} \\ c) &\; \text{Analise o comportamento dinâmico do sistema quando varia o parâmetro } \mu, -1<\mu<1. \text{ Explique que sucede com os equilíbrios do sistema ao variar o valor de } \mu. \\ d) &\; \text{Esboce o diagrama de bifurcações considerando } \mu \text{ como sendo o parâmetro de bifurcação e indique no diagrama as possíveis bifurcações do sistema.} \end{align*} Exercício 6. Uma bolinha de massa \(m\) move-se ao longo de um fio circular de raio \(r\), que gira com velocidade angular \(\omega\) constante em torno do eixo vertical de simetria, como mostrado na Figura abaixo. Esse eixo é paralelo à aceleração da gravidade \(g\). Deseja-se controlar a posição da bolinha variando \( \omega \). O ângulo \( \theta \) expressa a posição da bolinha com relação ao ponto “mais baixo” do fio, tomado como \( \theta = 0 \). No ponto “mais alto”, tem-se \( \theta = \pi \). Sendo \( b \) o coeficiente de atrito entre a bolinha e o fio, a equação que governa a variação de \( \theta \) é dada por \[ \ddot{\theta} = \sen \theta \left( a \cos \theta - 1 \right) - b \dot{\theta} \] \[ a = \frac{r \omega^2}{g} \] onde a) Encontre o modelo por espaço de estados. Analise os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. b) Para variação do parâmetro \( a \) (parâmetro de bifurcação) trace o diagrama de bifurcação. Explique que tipo de bifurcação apresenta o sistema ao variar este parâmetro. c) Represente os diagramas de espaço de estado, no plano \((x_1,x_2)\) para 2 valores diferentes do parâmetro \( a \) (para \( a<1 \) e para \( a>1 \)). Explique. Dicas: 1. Considere que o ângulo \( \theta \) está definido entre \(-\pi < \theta < \pi \). 2. Utilize as seguintes identidades trigonométricas para estudar a estabilidade dos equilíbrios. Lembrando que \(-1< \cos x <1\). \[ \cos(2x) = 2 \cos^2 x - 1 \] \[ \sen(2x) = 2 \sen x \cos x \] Exercício 7. A seguinte equação diferencial não linear representa muito simplificadamente a dinâmica de um LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) de He-Ne (hélio-neón) (vide após a prova explicação da obtenção do modelo no livro de Sistemas Dinâmicos, Monteiro, pp. 322-325) \[ \dot{x} = \left( \mu - a \right)x - bx^2 \] once \( x > 0 \) representa o número de fótons coerentes do LASER, a constante \( a > 0 \) relaciona-se com o tempo de vida típico de um fóton coerente na região do meio ativo e o parâmetro \( \mu > 0 \) representa, de forma proporcional, o número crítico de fótons excitados acima do qual existe emissão estimulada de fótons coerentes. Considere o parâmetro \( b >0 \). a) Analise o sistema quando de variação do parâmetro \( \mu \). b) Trace o diagrama de bifurcações considerando o parâmetro \( \mu \) como sendo o parâmetro de bifurcação. Explique. Exercício 8. Para o sistema \[ \dot{x} = y \] \[ \dot{y} = \left[(x+1)^2 - \mu + y\right]\left[(x-1)^2 + \mu + y\right] \] a) Mostre que tem 2 equilíbrios para todo valor do parâmetro \( \mu \). b) Que bifurcações tem lugar para \( \mu=0 \)? Explique mediante um diagrama de bifurcações. c) Explique qual é a diferença entre um equilíbrio hiperbólico e um não-hiperbólico. Quais são as consequências para a análise de estabilidade dos equilíbrios do sistema não linear? Enuncie o Teorema de Hartman-Grobman. Exercício 9. Considere o seguinte sistema a) Determine o modelo por variáveis de estado do sistema da figura acima mostrada, sendo \( y(t) \) a saída e \( u(t) \) a entrada do sistema. b) Supondo \( u=0 \), encontre todos os equilíbrios do sistema. c) Classifique os equilíbrios encontrados de acordo a sua estabilidade. d) Esboce o diagrama de espaço de estado do sistema indicando os pontos de equilíbrio e as trajetórias próximas aos equilíbrios. e) Explique qual é a diferença entre um equilíbrio hiperbólico e um não-hiperbólico. Quais são as consequências para a análise de estabilidade dos equilíbrios do sistema não linear? Exercício 10. O modelo matemático simplificado de um sistema térmico é representado pela seguinte equação não linear cujo espaço de estados é de dimensão 1, \[ \dot{x} = f(x,u) = x(x-1)(2-x) + u \] \[ y = x \] com \( y(t) \) sendo a temperatura de saída do processo. A função \( f(x,u) \) para o valor da entrada \( u=0 \) é mostrada na figura abaixo. a) Para \( u(t)=0 \), determine todos os pontos de equilíbrio do sistema e a sua estabilidade. b) Faça um diagrama de \( y(t) \) em função do tempo \( t \) mostrando as trajetórias do sistema. Para que condições iniciais \( x(0) \), a saída do sistema tenderá a \( x=2 \)? Explique. c) Construa um diagrama de bifurcações considerando a entrada \( u(t) \) como sendo um parâmetro de bifurcação. d) Para que valores da entrada \( u(t) \), o sistema apresentará somente 1 equilíbrio. Explique. Exercício 11. Analise o seguinte sistema dado em coordenadas polares \((r, \theta)\) \[ \dot{r} = r \left( \lambda + 2r^2 - r^4 \right) \] \[ \dot{\theta} = 1 \] d) Para variação do parâmetro \( \lambda \) trace o diagrama de bifurcações. Explique que tipo de bifurcações apresenta o sistema ao variar este parâmetro. e) Aplicando a seguinte mudança de variáveis \[ x = r \cos \theta \] \[ y = r \sen \theta \] Represente os diagramas de espaço de estado, no plano \((x,y)\), para 3 valores diferentes do parâmetro \( \lambda \). Explique. Exercício 12. Em um dado processo industrial, uma das malhas de controle de temperatura tem um controlador do tipo liga-desliga. A malha de controle apresenta um ganho k e um relé de amplitude unitária conforme se mostra na figura abaixo A partir da análise da temperatura medida você detectou um ciclo limite na resposta de saída. A partir do traçado do diagrama polar de G(jw) obteve-se os seguintes pontos: K G(0 j) = 2 ; K G(0.707 j) = -5.65 j ; K G(j) = -2 Determine o valor aproximado da amplitude e da frequência do ciclo limite. Faça um esboço do diagrama polar ou de Nyquist. Explique. Exercício 13. Considere o seguinte sistema de controle realimentado ẋ1 = x2 ẋ2 = -2x1 - 5x2 + φ(x3) ẋ3 = k (yr - x1) φ(x3) = x3³/3 y(t) = x1 ; k > 0 a) Represente o sistema mediante um diagrama de blocos. b) Determine os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. c) Analise o sistema quando da variação do sinal de referência yr. Para simplificar suponha k=1. d) Esboce o diagrama de bifurcações para o sistema considerando yr como parâmetro de bifurcação, variando yr no intervalo [-2, 2]. Indique no diagrama as bifurcações que possa encontrar. Caso detecte a presença de uma bifurcação de Hopf assuma que esta é supercrítica (gera um ciclo limite estável). Explique. Exercício 14. Analise o sistema anterior utilizando o método da função descritiva. Considere a referência do sistema yr = 0. Calcule a função descritiva da não linearidade φ(x3) = x3³/3 sabendo que ∫0²π sin(ωt)⁴dt = 3π/4 Lembrar que para funções impares o coeficiente A1=0 na serie de Fourier e que B1 = 1/π ∫0²π φ(Asin(ωt)) sin(ωt)dωt a) Determine se existe um ciclo limite a partir do diagrama de Nyquist. Esboce o diagrama de Nyquist indicando cada uma das funções. b) Determine a amplitude e frequência do ciclo limite. Exercício 15. Considere o seguinte sistema realimentado (vide figura abaixo) representando um motor CC cuja função de transferência é G(s) = 4/s(s+1)(s+2) Este sistema é controlado por um controlador proporcional com ganho k e apresenta uma função não linear estática com amplitude unitária e zona morta (-h, h), cuja função é definida como segue: φ(u) = { 1 u > h 0 -h < u < h -1 u < -h sendo sua função descritiva dada por: N(A) = { 0 A < h 4/πA √1-h²/A² A ≥ h A* = √2 h para se ter N(A*)max = 2/π h a) Analise a possibilidade da existência de ciclos limites no sistema aplicando o método da função descritiva. Considere inicialmente que a referência yr(t)=0. b) Esboce o diagrama de Nyquist mostrando o lugar geométrico das funções da planta e da inversa da função descritiva da não linearidade. Quantos ciclos limites podem existir. Explique. c) Considere h=1. Para que faixa de valores do parâmetro k existirá um ciclo limite estável? d) Para h=1 e k=50 determine a amplitude (Ac) e a frequência (wc) do ciclo limite. e) É possível escolher o parâmetro h de forma que o sistema em malha fechada NÃO apresente oscilações (ciclos limites), quando da análise realizada com o método da função descritiva. f) Analise que sucede com a resposta do sistema quando varia a referencia yr(t). Para isto, determine os equilíbrios do sistema em malha fechada. Utilize a representação por variáveis de estado do sistema em malha fechada sendo a saída do sistema y(t)=x1(t). Exercício 16. O controle da potência de saída x(t) de um telefone celular é crítico para se ter um bom desempenho do sistema. Não se deseja usar uma potência muito grande, já que outros canais são afetados e a duração da bateria diminui. Para isto, as informações sobre a potência recebida são enviadas de volta para o transmissor e são usadas para controlar a potência. Um esquema simples é cujo modelo é: dx/dt = α u(t) ẏ = −sign[y(t−L)], α, β > 0 y(t) = β x(t) onde os sinais foram transformados de modo que x = 0 corresponde à potência de saída nominal e a função sign corresponde a um relé de amplitude unitária (M=1). Use uma função descritiva para prever a amplitude e a frequência do possível ciclo limite na variável y(t). a) Determine as expressões matematicas que permitem calcular a frequência e a amplitude critica em função dos parâmetros: α, β, L. b) Esboce o diagrama polar do sistema mostrando a função G(jw) e a inversa da função descritiva do relé. Para tal assuma que α = β = L =1. Explique. Dica: representar G(jw) com módulo e fase facilita muito os cálculos. Exercício 17. Provar que o seguinte sistema dinâmico ẋ1 = x2 (1 + x1³) ẋ2 = −3x1 - 3x1⁴ - x2³ tem um ponto de equilíbrio em (0,0) e que este equilíbrio é assintoticamente estável. Para tal utilize a seguinte função candidata de Lyapunov V = 0.5 (a x1² + b x2²) podendo escolher os valores dos parâmetros a e b. A estabilidade do equilíbrio (0, 0) é LOCAL ou GLOBAL?. Justifique a sua resposta. Dica: estudar os equilíbrios do sistema. Exercício 18. Seja o seguinte sistema dinâmico \( \dot{x} = y \) \( \dot{y} = -x^3 - y(4 - x^2 - 4y^2) \) e) Determine todos os equilíbrios deste sistema e a sua estabilidade. Se for preciso utilize a seguinte função de Lyapunov candidata: \( V(x,y) = \frac{(y - \bar{y})^2}{2} + \frac{(x - \bar{x})^4}{4} \) representando (x, y) o equilíbrio considerado. f) Faça um esboço do diagrama de espaço de estados mostrando a região de atração do equilíbrio (0, 0). Exercício 19. Um oscilador pode ser construído mediante a interconexão de um sistema de primeira ordem linear com um tempo de atraso L e um relé, vide figura abaixo. O sistema linear é \( G(s) = \frac{k e^{-Ls}}{s+1} \) e a função \(\varphi(.)\) é um relé com amplitude 1, i.e. \(\varphi(x) = sgn(x)\). a) Determine as expressões matemáticas gerais que permitem calcular a frequência e a amplitude crítica do oscilador em função dos parâmetros k e L. b) Esboce o diagrama polar do sistema mostrando a função \(G(jw)\) e a inversa da função descritiva do relé. Explique. c) Deseja-se ter uma oscilação de amplitude = 5 volts e frequência = 20Hz. Determine os valores de K e L para obter este sinal na saída do oscilador. Dica: representar \(G(jw)\) com módulo e fase. Também pode utilizar a seguinte identidade \(e^{-j\omega L} = \cos(\omega L) - j\sin(\omega L)\) Exercício 20. Analise o seguinte sistema (equação de Rayleigh): \(\ddot{\theta} + \dot{\theta}(\dot{\theta}^2 - \mu) + \theta = 0\) a) Estudando os autovalores da matriz jacobiana do sistema calculada no ponto de equilíbrio, mostre que este sistema sofre uma bifurcação de Hopf para \(\mu_c = 0\). b) Faça o diagrama de bifurcações para o parâmetro \(\mu\). c) Esboce o diagrama de espaço de estado para três valores do parâmetro \(\mu\): i) \(\mu < \mu_c\); ii) \(\mu = \mu_c\); iii) \(\mu > \mu_c\) Exercício 21. O circuito abaixo é utilizado para ativar um arco elétrico (A) cuja característica tensão-corrente \(Va(I)\) é mostrada na figura abaixo. As variáveis de estado são \(x(t) = I\) e \(y(t) = V\). Para simplificar a análise, suponha que: \(E = 100; V_a(I)_{max} = 100\) (valor máximo da curva). Equações do sistema: \(L \dot{x} = y - V_a(x)\) \(C \dot{y} = \frac{E-y}{R} - x\) a) Para o caso que R = 1Ω. Determine os equilíbrios e as condições para operação estável em um dos pontos equilíbrios do sistema. b) Mostre os equilíbrios do sistema sobre o gráfico \(V_a(I)\). c) Analise as possíveis bifurcações ao variar o valor da resistência R. d) Faça um diagrama de bifurcações para o parâmetro R. Exercício 22. O modelo matemático de um dado sistema é representado pela seguinte equação não linear \( \dot{x} = f(x, \alpha, \mu) = \alpha + \mu x - x^3 \) sendo \(\alpha, \mu\) dois parâmetros do sistema. Os dois diagramas abaixo foram construídos após fazer uma análise matemática do sistema e permitem compreender o comportamento dinâmico do sistema ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\). a) Explique o comportamento deste sistema dinâmico ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\). Para isto, determine os pontos de equilíbrio do sistema e analise a sua estabilidade, ao variar os parâmetros do sistema. b) Que tipos de bifurcações aparecem no sistema ao variar os parâmetros \(\alpha, \mu\)? Dica: Para determinar os equilíbrios do sistema considere as funções: \(y_1 = \mu x - x^3 \); \(y_2 = -\alpha\) e resolva o problema de forma gráfica. Exercício 23. Um circuito PLL - Phase Locked Loop, traduzido como malha de sincronismo de fase, é um dos blocos construtivos de um receptor de rádio. Também é um circuito muito utilizado na sincronização de relógios em redes de telecomunicações. A figura abaixo mostra um diagrama de blocos simplificado deste sistema onde \(F(s)\) representa a função de transferência de um filtro. A função do PLL consiste em sincronizar a fase do sinal de saída \(\theta_o\) com a fase do sinal de entrada \(\theta_i\), de forma que o erro de fase seja constante \(\psi = \theta_i - \theta_o\), i.e. \(d\psi/dt = d\theta_i/dt - d\theta_o/dt = 0\). a) Um PLL de 1ª ordem utiliza uma função \(F(s) = k\), com \(k > 0\). Considerando o erro de fase \(\psi\) como uma variável de estado, derive a equação diferencial para \(\psi\). b) Quando recebemos um sinal com o rádio, um sinal tipo rampa é aplicado na entrada \(\theta_i = \gamma t\). Determine para este caso os equilíbrios do sistema e a sua estabilidade. Trace o diagrama de bifurcações. ções considerando γ/k como parâmetro de bifurcação. Qual é o maior valor de γ > 0 para que existam equilíbrios de erro ψ. c) Um PLL de 2ª ordem pode ser implementado mudando o filtro F(s) para F(s) = \frac{k}{s + a}, \quad k, a > 0 Derive as equações do sistema, considerando que x_1 = ψ, x_2= dψ/dt, e prove utilizando a função candidata de Lyapunov com P > 0, que o equilíbrio é estável. V(x_1, x_2) = 1 - \cos(x_1) + \frac{1}{2} Px_2^2 Exercício 24. Investigue a estabilidade do seguinte sistema dinâmico aplicando o método da função de Lyapunov para o equilíbrio (x, y) = (0, 0). \dot{x} = -x(1-x^2)(1-y^2) \dot{y} = -y(1-x^2)(1-y^2) Utilize uma função de Lyapunov quadrática. Indique qual é o tipo de estabilidade (estável, assintoticamente estável, local ou global). Explique. Exercício 25. Mostre que o equilíbrio (0, 0) do sistema dinâmico \dot{x}_1=\mu x_1 - x_2 + x_1 x_2^2 \dot{x}_2=x_1 + \mu x_2 + x_2^3 apresenta uma bifurcação de Hopf para \mu=0. Para tal faça uma mudança de variáveis para coordenadas polares e estude o sistema nestas novas variáveis de estado. Complete a questão com simulações realizadas no Matlab / Simulink / pplane9. Explique. Justifique. Exercício 26. O método de sintonia automática de Ziegler-Nichols para controladores PID, baseado na resposta em frequência do sistema, consiste basicamente em colocar um elemento não-linear (relé com o sem histerese) no lugar do controlador PID (vide figura abaixo), para que o sistema, em malha fechada, apresente uma resposta oscilatória (ciclo limite). Assuma que M=1 na função descritiva do relé. A partir da frequência de oscilação \omega_c = \frac{2 \pi}{T_{osc}} e do ganho K_{osc} = N(Ac), onde \omega_c e Ac são a frequência crítica e a amplitude critica, respectivamente, da oscilação na entrada do relé, podem ser determinados os parâmetros do controlador PID utilizando as seguintes fórmulas: Parâmetro | Valor --- | --- K | 0.6 Kosc Ti | 0.5 Tosc Td | 0.125 Tosc a) Determine os parâmetros do controlador PID para o processo modelado pela seguinte função de transferência: G(s) = \frac{10}{s^3 + 2s^2 + s} b) Esboce o diagrama polar mostrando o lugar geométrico das funções G(jω) e da função descritiva da não linearidade. c) Aplique o método ao sistema anterior sem integrador? Caso não for possível, qual a mudança a ser realizada para adaptá-lo a este novo caso. Justifique.

Sua Nova Sala de Aula

Sua Nova Sala de Aula

Empresa

Central de ajuda Contato Blog

Legal

Termos de uso Política de privacidade Política de cookies Código de honra

Baixe o app

4,8
(35.000 avaliações)
© 2025 Meu Guru®