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Projecto de controladoresMestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (LEEC)

Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)

CONTROLOCONTROLO3º ano – 1º semestre – 2007/2008

Transparências de apoio às aulas teóricas

Capítulo 12 (Parte A) – Projecto de CompensadoresMaria Isabel Ribeiro

Pasc

oal

Maria Isabel RibeiroAntónio Pascoal

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

Setembro de 2001Revisões em Março de 2002, Setembro 2003, Novembro 2005, Maio de 2007

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 1/Cap.12-ParteANovembro.2007

Todos os direitos reservadosEstas notas não podem ser usadas para fins distintos daqueles para que foram

elaboradas (leccionação no Instituto Superior Técnico) sem autorização dos autores

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Projecto de controladoresProjecto no domínio da frequência

ControladorSistema a controlar

EXEMPLO

0>K 21s

+

Controlador controlar

s_

C(s) G(s)Diagrama de Bode da f.t.ca.=1/s2

K=1K=1

frequência de cruzamento

s/rad.c 01=ω

Pasc

oal

º)j(Garg c 180=ω

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

margem de fase

ºM 0=Φ

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 2/Cap.12-ParteANovembro.2007

M

sistema marginalmente estável

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Projecto de controladoresEXEMPLO

1+

ControladorSistema a controlar

0>K 21s

+_

C(s) G(s)C(s) G(s)Critério de Nyquist

Contorno dede Nyquist

A A imagem do contorno

xxpólo

A

-1

de Nyquist passa pelo ponto crítico -1

Pasc

oal

pduplo

º*)j(C*)j(Garg*)j(C*)j(G:* 180 1 =ωω∧=ωωω∃

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

01 =ωω+ *)j(C*)j(G

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. Isa

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*jω é um pólo em malha fechadasistema marginalmente estável

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Projecto de controladoresEXEMPLO

1+

ControladorSistema a controlar

0>K 21s

+_

C(s) G(s)C(s) G(s)Root-Locus

Estratégia de ControloEstratégia de Controlo

zzsK)s(C +

=

xpólo

x

zefeito estabilizador(PD)

Pasc

oal

pduplo

2 ól d

xxo

Rib

eiro

, Ant

ónio

P2 pólos da f.t.c.f. no eixo imaginário

Introdução de amortecimento artificial

devido ao termo derivativo

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. Isa

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sistema marginalmente estável

imaginário devido ao termo derivativo

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Projecto de controladoresEXEMPLO

s 1+

ControladorSistema a controlar

zzsK +

21s

+_

C(s) G(s)exemplo C(s) G(s)K=1, z=0.1rad/s

º90Φ ºM 90=Φsistema em c.f. estável

Pasc

oal-1

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

∞=MGP d t h

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 5/Cap.12-ParteANovembro.2007

Pode aumentar-se o ganho indefinidamente sem que se perca estabilidade

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Projecto de controladoresAnálise do compensador PD

zzsK)s(C +

=arg C(s)

45º

90º

benefício de

)s/rad(ω

avanço de fase

z )(

compensador por avanço de fase

Pasc

oal

sistema original

Diagrama de Nyquist

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

-1

i t nova

O compensador de avanço de fase afasta o diagrama do ponto -1

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sistema compensado

nova margem de fase

p

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Projecto de controladoresCompensador PD Compensador de avanço de fase

zzsK)s(C +

=

sistema realizável (com um pólo e um zero)

pszs

zpK)s(C

++

=

zero)

Sistema a

Pasc

oal

zspK +2

1+

Controlador controlar

Rib

eiro

, Ant

ónio

Ppsz + 2s_

C(s) G(s)avanço de fase

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

)j(Clim ω

Ts + 1

1

∞→ω

Ts

TK)s(C

β+β

=1

1 dB

K⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β

1 <β 1 1

Ganho estático = K

1/T

T Tβ

Pasc

oal

zero = - 1/T

pólo = - 1/βΤ

o90

maxφ

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

x 1 1maxω

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 8/Cap.12-ParteANovembro.2007

xT Tβ

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

?max =φ?=ω

Máximo (benefício) do AVANÇO DE FASE

11 +ω+ TjTs? =ωmax1

1 1

1 +ωβ+ω

=+β+

=ωω= Tj

TjKTsTsK)j(C

js

)T(arctg)T(arctg)()j(Carg c ωβ−ω=ωφ=ω

TT)(d c βωφ

( ) ( )22 11 TTd)(c

ωβ+

β−

ω+=

ωφ

Pasc

oal

Cálculo de

⇔ωφ

0)(d c ⇔=

β 0TT maxω

=ω2 1

Rib

eiro

, Ant

ónio

P⇔=ω

0dc

( ) ( )⇔=

ωβ+−

ω+ 0

11 22 TT β=ω 2T

1

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. Isa

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β=ω

TmaxEm escala logarítmica, equidistante das

frequências de corte do zero e do pólo

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

?max =φβ

=ωT

1 max

)T(t)T(t)( βφφ

βT

)T(arctg)T(arctg)( maxmaxmaxcmax βω−ω=ωφ=φ

⎟⎞

⎜⎛ 1 )(arctgarctg β−

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ β

=1

Pasc

oal

⎟⎞

⎜⎛ β−

φ1t ⎟

⎞⎜⎛ β−

φ1i

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ β

β=φ

2arctgmax ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛β+β

=φ1

arcsinmax

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

)( maxc ωφ Máximo AVANÇO DE FASE

90º

β1

Pasc

oal

1<β

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

Tz 1

−=Tp

β−=

1x 0→β zp >>

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 11/Cap.12-ParteANovembro.2007

º)( maxc 90→ωφ

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

K⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β dB⎠⎝ β

?)j(C Kmax =ω=1 Porque é importante

conhecer ?

T1

Tβ1

o90

φ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β+β−

=φ11arcsinmax

Pasc

oal

maxφ

maxω • O compensador de avanço de fase usa se

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

T1

Tβ1

max

1

• O compensador de avanço de fase usa-se para aumentar a margem de fase, ou seja somar fase na frequência em que o ganho da f.t.c.a. é unitário.

• Ao somar fase em wmax, também se aumenta

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β=ω

Tmax o ganho. De quanto?

• É o preço a pagar pelo avanço de fase

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Projecto de controladoresCompensador por Avanço de Fase

K⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β 1+ωTjK)j(CdB⎠⎝ β

11 +ωβ+ω

=ωTj

TjK)j(C?)j(C Kmax =ω=1

T1

Tβ1

1j

maxω=ω

o90

φ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β+β−

=φ11arcsinmax

1

11

=ωj

jK)j(C max

Pasc

oal

maxφ

maxω

βj

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

T1

Tβ1

max

1 1 K)j(C max

β=ω

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 13/Cap.12-ParteANovembro.2007

β=ω

Tmax

β

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

Sistema de controlo (Motor de c.c. com amplificador)

motor com cargaamplificadorcontrolador

)s(K100

100+s 36

1+s s

1+posição angular

100+s 36+s s_

Obj ti ti i

velocidade

Pasc

oal

1. K(s) estabiliza o sistema motor c.c. com amplificador0250)(

Objectivos a atingir

Rib

eiro

, Ant

ónio

P2. Erro de seguimento a rampa unitária3. Margem de fase4. Margem de ganho

0250.)(eramp ≤∞o

M 48≈ΦdBGM 6≥

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g g M

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

)s(K 100+

G(s)a projectar

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

)s(K~K)s(K =

ganho estático unitário

10 =)(K~

ganho estático unitário

2. Erro de seguimento a rampa unitária 0250.)(eramp ≤∞

Pasc

oal

401

1

0s

≤=∞→

)s(K)s(sGlim)(eramp

1440≥K

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

40 0s

≥→

)s(K)s(sGlim

100 KK

escolha-se

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. Isa

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403610036

1000s

≥=++→

K)s)(s(

Klim 1440=K

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

~ x 1440 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

)s(GKdiagrama de Bode de

ºM 34≅Φs/rad.dB 5290 =ω

dBGM 610≅

Pasc

oal

dB.GM 610≅s/rad.959=ωπ

Rib

eiro

, Ant

ónio

POs valores seriam diferentes se tivesse sido usado o diagrama de Bode assimptótico

Só com este ganho, o sistema em

©M

. Isa

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cadeia fechada é estável, embora não satisfaça a margem de fase pretendida

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

~ x 1440 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

Confirmação da estabilidade em cadeia fechada usando critério de Nyquist

1=)s(K~com

Contorno de Nyquist

xxx

Pasc

oal

xxx-100 -36

-134º

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

P=0 N=0

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 17/Cap.12-ParteANovembro.2007

módulo=1

Z=P+N=0

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

~ x 1440 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

3. Margem de fase oM 48≈Φ

Aumento nominal de ºM 34≅ΦPara 1=)s(K~ 48º - 34º = 14º

No entanto é necessário “dar” FASE ADICIONAL

0 db

sistema original

Compensador de avanço

nova frequência de cruzamento

Pasc

oal

0 db cruzamento

figura não à escala. Apenas ilustrativa

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

-180º

Como a frequência de cruzamento aumenta é preciso

+ aumento de fase34º

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 18/Cap.12-ParteANovembro.2007

sistema original

Não basta um aumento de 14º

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

~ x 1440 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

3. Margem de fase oM 48≈Φ

Aumento nominal de ºM 34≅ΦPara 1=)s(K~ 48º - 34º = 14º

Aumento total de fase = Nominal + “Factor de Segurança” = 14º + 10º = 24ºAumento total de fase = Nominal + Factor de Segurança = 14 + 10 = 24

Determinação das características do compensador de avanço de fase

Pasc

oalºmax 24=φ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β+β−

=φ11arcsinmax

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

avanço 420.=β

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 19/Cap.12-ParteANovembro.2007maxω

O parâmetro β define o afastamento entre o zero e o pólo do compensador

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

5411 541.=β

dB.dB

7731=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

β

preço a pagar pelo avanço de fasedB⎠⎝ ç

Ganho estático do compensador unitárioTodo o ganho necessário já foi considerado

ºmax 24=φ

?

foi considerado

Pasc

oal

?max =ω

onde se coloca ?maxω • Conhecendo β

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

1 1maxω =ω

1max

β

• Escolhendo wmax

• Calcula-se T

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 20/Cap.12-ParteANovembro.2007

T Tβmaxω

wmax é a frequência a que o avanço de fase é maiorβ

ωT

max

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Projecto de controladores

onde se coloca ?maxωEXEMPLO 1

maxω

+3.77dB

maxω

-3.77dB

f.t.c.a sistema compensado

3.77dBf.t.c.a sistema original

maxω Frequência à qual o ganho de malha

Pasc

oal

dB.)s(GKjs

773−=ω=

/d39

Rib

eiro

, Ant

ónio

Ps/radmax 39=ω

391 s/radT

max =β

=ω s/rad.T max 325 1

=ωβ=

©M

. Isa

bel R

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420.T

βs/rad.

T 2601

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

)(K x 1440 100+

a projectar )s(G

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

Ts

K)s(K~K)s(K+

==

11 f.t. do compensador com

ganho estático unitáro

Ts

K)s(KK)s(K

β+β 1

325s +f.t.c.a. do sistema compensado

ganho estático unitáro

2603253821440

.s

.s.)s(K++

××= f.t.c.a. do sistema original*1440

Pasc

oal

2.603.252.3427)(

++

×=sssK

Rib

eiro

, Ant

ónio

M. I

sabe

l R

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

)s(K )s)(s(sx

100361440 100++

+_

f.t.c.a. do sistema original f.t. do compensador

f.t.c.a. do sistema compensado

g p

dBdB.GM 6511 >=

Pasc

oal

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

ºoM 4846 <≈Φ

Se não for satisfatório, f

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. Isa

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 23/Cap.12-ParteANovembro.2007

refaça os cálculos

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Projecto de controladoresEXEMPLO 1

)s(K )s)(s(sx

100361440 100++

+_

ºM 34≈ΦM

Pasc

oal

oM 46≈Φ

nova margem de fase

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

Repita o projecto com base no diagrama de Bode assimptótico

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 24/Cap.12-ParteANovembro.2007

p

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Projecto de controladores

Compensador de avanço - Sumário

I d f i i i i h d f ê i d• Introduz fase positiva na vizinhança da frequência de cruzamento a 0dB do sistema original, aumentando a margem de fase e melhorando assim a estabilidade relativa

• Preço a pagar é um aumento do ganho de alta frequência

• O compensador de avanço é equivalente ao controlador PD no p ç qintervalo de frequências em que o efeito do pólo é pouco significativo

O d d é t ã i li t d

Pasc

oal

• O compensador de avanço é uma representação mais realista do controlador PD em que o pólo tem a função de limitar o ganho de altas frequências do controlador

Rib

eiro

, Ant

ónio

M. I

sabe

l R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 25/Cap.12-ParteANovembro.2007

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Projecto de controladoresCompensador de Atraso de Fase

)s(K~K)s(K = 1 0 =)(K~

Ts

)(K~+

11 0 dB

Diagrama de Bode de )s(K~

Ts

T)s(K

α+α

=1

0 dB

α− 1020 logO compensador que vai ser apresentado

1 >α

Ganho estático = 1

α1020 logptem ganho estático unitário

Pasc

oalzero = - 1/T Tα

1T1

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

pólo = - 1/αΤ

x

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x

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Projecto de controladoresCompensador de atraso – Princípio de utilização

• Tirar partido da atenuação do ganho de modo a deslocar a frequência de cruzamento a 0dB para adeslocar a frequência de cruzamento a 0dB para a frequência que conduz à margem de fase desejada.

Preço a pagar é ma dimin ição da fase na ona de• Preço a pagar é uma diminuição da fase na zona de influência do compensador– Até uma década após o zeroAté uma década após o zero

• Procura-se que a característica de fase original não seja significativamente alterada na vizinhança da nova

Pasc

oal

significativamente alterada na vizinhança da nova frequência de cruzamento a 0dB.– Zero do compensador colocado, pelo menos, uma década antes

Rib

eiro

, Ant

ónio

PZero do compensador colocado, pelo menos, uma década antes da frequência de cruzamento a 0dB desejada.

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Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 27/Cap.12-ParteANovembro.2007

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Projecto de controladoresCompensador de Atraso de Fase

Ts

)s(K~+

=

11

Ts

)s(K

α+α

=1

0 dB

Diagrama de Bode de )s(K~

0 dB

α− 1020 log α1020 log

Pasc

oalTα

1T1

Rib

eiro

, Ant

ónio

M. I

sabe

l R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 28/Cap.12-ParteANovembro.2007

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

Sistema de controlo (Motor de c.c. com amplificador)

motor com cargaamplificadorcontrolador

)s(K100

100+s 36

1+s s

1+posição angular

100+s 36+s s_

Obj ti ti i

velocidade

Pasc

oal

1. K(s) estabiliza o sistema motor c.c. com amplificador21621/)(

Objectivos a atingir

Rib

eiro

, Ant

ónio

P2. Erro de seguimento a rampa unitária3. Margem de fase4. Margem de ganho

21621 ./)(eramp ≤∞º.M 259≥ΦdBGM 12≥

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 29/Cap.12-ParteANovembro.2007

g g M

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

)s(K 100+

G(s)a projectar

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

)s(K~K)s(K =

ganho estático unitário

10 =)(K~

ganho estático unitário

2. Erro de seguimento a rampa unitária 21621 ./)(eramp ≤∞

Pasc

oal

21621

1

0s.)s(K)s(sGlim

)(eramp ≤=∞→

5839≥K

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

2162 0s

.)s(K)s(sGlim ≥→

100 KK

escolha-se

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 30/Cap.12-ParteANovembro.2007

21623610036

1000s

.K)s)(s(

Klim ≥=++→ 5839=K

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

~ x 8395 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

)s(GKdiagrama de Bode de

Qual terá que ser a frequência de cruzamento a 0dB paracruzamento a 0dB para ter a margem de fase pretendida?

714 s/rad.=ω

Pasc

oaldB)j(GK,ºM 20 59 =ω=Φ

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

Chegará diminuir o ganho de 20dB nesta frequência com um

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 31/Cap.12-ParteANovembro.2007

frequência com um compensador de atraso?

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

~ x 8395 100+

a projectar )s(GK

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

)s(GKdiagrama de Bode de

º.ºº.desejadaM 26910259 =+=Φ

factor defactor de segurança

Porque é necessário o factor de segurança?

Pasc

oal

s/rad.º.M 789 para 269 =ω≅Φ

24dB 9 78 d/

=ω)j(GK

Rib

eiro

, Ant

ónio

P9.78rad/s=ω

O compensador de t d id i

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 32/Cap.12-ParteANovembro.2007

atraso deve providenciar um ganho de -24dB à frequência de 9.8rad/s

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2 Dimensionamento do

compensador de atraso

11= 1

8415 2420 10 .dBlog =α⇒−=α−

0 dB

-24dB

T.T 8415α T

-24dB

define o afastemento entre o pólo e o zero

Pasc

oal

-90ºFase negativa = preço a pagar pela diminuiçãode ganho

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

Onde “colocar” o compensador?

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 33/Cap.12-ParteANovembro.2007

Onde colocar o compensador?

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

Várias hipótess ppossíveis de “colocação” do compensador

Pasc

oal

Rib

eiro

, Ant

ónio

M. I

sabe

l R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 34/Cap.12-ParteANovembro.2007

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2 Estratégia de “colocação” do

compensador de atraso

Zero do compensador 1 década abaixo da frequência de cruzamento desejada

1 s/rad.T

9801=s/rad.

T 06201

Na frequência de cruzamento d j d f

0 dB T.T 841511

=α T

1 desejada, a fase negativa introduzida pelo compensador já é

-24dBp j

pequena, embora não nula

Pasc

oal

Isto justifica a introdução de fase adicional no cálculo da

Rib

eiro

, Ant

ónio

P

90ºFase negativa =

l

cálculo da margem de fase desejada

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 35/Cap.12-ParteANovembro.2007

-90º preço a pagar pela diminuiçãode ganho

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Projecto de controladoresEXEMPLO 2

)(K 100+

a projectar )s(G

)s(K )s)(s(s 10036 ++_

11 s

T+

f.t.c.a. do sistema original*5839

Bode Diagram

50

100

System: sysf.t.c.a. do sistema

original*58391( ) ( ) 1TK s K K s K

sT

αα

= =+

%

f.t. do compensador0

50 System: sysFrequency (rad/sec): 10Magnitude (dB): -0.175

agni

tude

(dB

)

f.t. do compensador

g

f.t.c.a. do sistema compensado

1 0.98( ) 583915 84 0 062

sK s += ×

f.t.c.a. do sistema compensado

-100

-50M

a

0

Pasc

oal

15.84 0.062s +

0.98( ) 368 6 sK s += ×

-90

0

deg)

System: sysFrequency (rad/sec): 10Phase (deg): -116

Rib

eiro

, Ant

ónio

P( ) 368.60.062

K ss

= ×+

dBGº MM 2264 ==Φ

-180Pha

se (

©M

. Isa

bel R

Instituto Superior Técnico- Controlo – 2007/2008 36/Cap.12-ParteANovembro.2007

dBG, MM 22 64Φ

especificações verificadasFrequency (rad/sec)

10-2

10-1

100

101

102

10

-270