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Estabilidade de Sistemas Lineares Realimentados
1. Estabilidade relativa
2. Estabilidade no espaco de estado
3. Exemplo de projeto: controle de direcao de um veıculo
4. Usando MATLAB c©
5. Projeto sequencial: sistema de leitura de um acionador de disco
c©Reinaldo M. Palharespag.1 Controle de Sistemas Lineares – Aula 7
Estabilidade Relativa
B Routh-Hurwitz indica precisamente a estabilidade absoluta
B A estabilidade relativa de um sistema pode ser definida como a propriedade
que e medida pelo valor da parte real de cada raız ou par de raızes
B Para duas raızes, r1 e r2, se |R{r1}| < |R{r2}|, diz-se que r2 e
relativamente mais estavel
B A estabilidade relativa de um sistema pode tambem ser definida em termos
do coeficiente de amortecimento, ζ, de cada par de raızes complexas e, portanto,
em termos da velocidade de resposta e sobre-elevacao ao inves do tempo de
acomodacao
c©Reinaldo M. Palharespag.2 Controle de Sistemas Lineares – Aula 7
Estabilidade Relativa
B O criterio de Routh-Hurwitz pode ser estendido de forma a possibilitar
determinacao da estabilidade relativa atraves de uma simples mudanca de variavel
(deslocamento no eixo real)
Exemplo Pode-se determinar sem calcular as raızes que a parte real de todas as
raızes do polinomio abaixo e menor do que −1 ?
∆(s) = s4 + 14s3 + 71s2 + 154s + 120
Faca s = s′−1, Entao
∆(s′) = s′4 + 10s′3 + 35s′2 + 50s′ + 24
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Estabilidade Relativa
O arranjo e dado por
s′4 1 35 24
s′3 10 50
s′2 30 24
s′1 42
s′0 24
Portanto o polinomio nao tem raızes com R{s′} ≥ 0 ou R{s + 1} ≥ 0 ou
R{s} ≥ −1. Entao todas as raızes tem parte real menor do que −1
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Estabilidade no Espaco de Estado
B A EC pode ser obtida diretamente do determinante da regra de Mason, do
diagrama de fluxos de sinais correspondente ao sistema de equacoes
Exemplo Para o sistema de equacoes
x1 = −3x1 + x2
x2 = −Kx1 + x2 + Ku
Diagrama de fluxo de sinais correspondente:
1
1
1
−1
−3
U(s)X1(s)
X1(s)X2(s)X2(s)
1/s1/sK
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Estabilidade no Espaco de Estado
B Aplicando a regra de Mason:
∆(s) = 1 −∑
L1×1 +∑
L2×2 −∑
L3×3 + · · ·
L1 = 1/s; L2 = −3/s; L3 = −K/s2
∆(s) = 1 − (L1 + L2 + L3) + L1L2 = 1 −
(1
s−
3
s−
K
s2
)
−3
s2= 0
m
∆(s) = s2 + 2s + (K − 3) = 0
Logo, basta K > 3 para que se tenha estabilidade
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Estabilidade no Espaco de Estado
B Outra forma de verificar estabilidade, para sistemas autonomos (u = 0), e
calcular os autovalores associado a matriz dinamica do sistema
x(t) = Ax(t)
B Calculo dos autovalores ?
λx = Ax, x 6= 0
m
(λI − A)x = 0 ⇒ (λI − A) e singular ⇒ |λI − A| = 0
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Exemplo de Projeto
Controle de direcao de um veıculo
Neste caso, o objetivo e realizar o controle de direcao de um veıculo, com
acionamento independente nas duas“rodas” (no caso, veıculos com esteira)
Objetivo Especıfico ? Manter o erro em estado estacionario, para um entrada
em rampa, limitado a um certo patamar – depende de parametros a serem
selecionados...
Por que entrada rampa?
Como funciona? E o modelo? Descritos a seguir
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Transportation Technology: Tracked Vehicles
Motion of Vehicle
Sprocket WheelActs as drive wheel,it powers the track.
Idler WheelsCarry the weight of thevehicle. In some cases mayhave sprockets and brakes.
TracksLinks chained together with metal or rubber pads thatcontact and grip the ground. The links mesh with thesproket wheel teeth.
Engine and Steering HousingWaterproof housing for the engine andsteering systems. Exhaust is ported at thehighest point of the vehicle in gasolinepowered vehicles.
Wheelbase
Maximum height of obstaclethat vehicle can climb over
Suspension SystemLets idler wheels move upand down in response tochanges in the terrain.
CG
Tracked vehicle fundamentals
Note: CG = Center of Gravity. In these examples Centerof Gravity is exagerated and does not take into accountany other parts of the vehicle other than the track part.
8" 40"
The weight of the vehicle makes thetire flatten where it contacts theground. This gives a contact area of8" x 12" (the width of the tire) for atotal area of 96 square inches.(Depends on air pressure in the tire)
The weight of the vehicle isdispersed over the entire length oftrack that contacts the ground.This gives a contact area of 40" x12" (the width of the track) for atotal of 480 square inches.
This 4-wheeled vehicle has amaximum of 384 square inches of
contact with the ground. A forth of thetotal weight of the vehicle would be
carried by each wheel.
This 2-tracked vehicle has amaximum of 960 square inches ofcontact with the ground. A sixth of
the total weight of the vehicle iscarried by each idler wheel.
Wheel's and Tires Vs. Tracks
Wheel Tracks
Width of wheel and track = 12"
Note: not to scaleWheel's contact
area exagerated forthis illustration.
VariableDifferential
Engine
SteeringControls
Fas
ter
Slo
wer
Direction of Travel(Turn Right)
Steering a Tracked Vehicle
Tracked vehicles are steered byadjusting the speed of the track onone side of the vehicle inrelation to the speed of the trackon the other side. This creates atorque on the vehicle and causesit to pivot around the slowertrack. The steering controlschange individual track speedsthrough a variable speeddifferential. The differential isusually controlled by levers.
By reversing one track entirelythe vehicle can pivot and spin inplace.
Most of the track is slidingsideways compared to theforward motion of the vehiclewhen turning. This can causedamage to the ground or torodadways.
Grip Area
Tensioning SpringKeeps tension on the trackand allows for smallchanges in terrain.
Support Base(while climbing)
Support Base Length
CG
A line drawn straight down from the center of gravity does notpass outside of the support base so vehicle does not tip over
Greater support base lengthmakes flat tracks more stable.
Tank-style tracks are used forvery rough terrain or higherspeeds. Flatter tracks are usedon earth-moving equipmentbecause more track can contactthe ground and climbing overobsticals is less important. Byhaving a larger wheelbase theflat track is more stable. Anobject is stable as long as a linepointing straight down from itscenter of gravity does not gooutside of its support base.
Obstruction
Different Kinds of Tracks: All Terrain VS. Flat
Grip AreaCG
Note: Vehicles are more likely to tip overfrom side to side because the supportbase's width is narrower than its length
SupportBase
Width
Front View
Side Views
www.carolina.com 800-334-5551
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esley Longman. A
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2
1R(s)
Desireddirectionof turning
(s 1 a)(s 1 1)
Ks (s 1 2)(s 1 5)
ThrottleSteering
Tracktorque
Power trainand controller
Vehicle
Right
Left
Difference in track speed
Y(s)Direction of
travel
(b)
(a)
Power train andvehicle G(s)
ControllerGc(s)
Y(s)
Figure 6.8 (a) Turning control system for a two-track vehicle (b) Block diagram
Exemplo: Controle de Direcao de um Veıculo
B EC do sistema realimentado
1 + Gc(s)G(s) = 1 +K(s + a)
s(s + 1)(s + 2)(s + 5)= 0
ou
s(s+1)(s+2)(s+5)+K(s+a) = s4+8s3+17s2+(K+10)s+Ka = 0
Determinar a regiao de estabilidade para valores de K e a. De que forma?
Routh-Hurwitz...
c©Reinaldo M. Palharespag.11 Controle de Sistemas Lineares – Aula 7
Exemplo: Controle de Direcao de um Veıculo
Arranjo de Routh associado:
s4 1 17 Ka
s3 8 (K + 10) 0
s2 b3 Ka
s1 c3
s0 Ka
⇒
b3 =126 − K
8> 0
c3 =b3(K + 10) − 8Ka
b3
> 0
K < 126
Ka > 0
(K + 10)(126 − K) − 64Ka > 0
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MASTER 77
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0
1.0
0.6
2.0
3.0
500 70 100 126 150
K
a
Stableregion
Selected K and a
Figure 6.9 The stable region
Exemplo: Controle de Direcao de um Veıculo
B Do objetivo especıfico, o erro em estado estacionario para entrada em rampa,
R(s) = A/s2 e obtido de
ess = lims→0
s
E(s)︷ ︸︸ ︷
1
1 + Gc(s)G(s)
= lims→0
ss(s + 1)(s + 2)(s + 5)
s(s + 1)(s + 2)(s + 5) + K(s + a)
A
s2
=10A
Ka
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Exemplo: Controle de Direcao de um Veıculo
B Da figura, nota-se que pode-se selecionar uma infinidade de valores para o par
K e a a fim de atender o desempenho especificado
B Eg, para ess = 23.8% do valor de A e necessario que
ess =10A
Ka= 0.238A ⇒ Ka =
10
0.238= 42
O que pode ser conseguido, selecionando K = 70 e a = 0.6, ou K = 50 e
a = 0.84, ou...
c©Reinaldo M. Palharespag.15 Controle de Sistemas Lineares – Aula 7
Usando MATLAB c©
B roots calcula as raızes de um polinomio
B eig calcula os autovalores de uma matriz, particularmente
eig(A) % devolve todos os autovaleres da matriz A
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K
a Stable region
(a 5 0.6, K 5 70)
Characteristicpolynomial
For a given value of K: determinefirst value of a for instability.
twotrackstable.m
% the stability region for the two track vehicle% control problem%a=[0.1:0.01:3.0]; K=[20:1:120];x=0*K; y=0*K;n=length(K); m=length(a);for i=1:n for j=1:m q=[1, 8, 17, K(i)+10, K(i)*a(j)]; p=roots(q); if max(real(p)) > 0, x(i)=K(i); y(i)=a(j-1); break; end endendplot(x,y), grid, xlabel('K'), ylabel('a')
Range of a and K
Initialize plot vectors as zerovectors of appropriate lengths.
20 40 60 80 100 120
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
(b)
(a)
Figure 6.16 (a) Stability region for a and K for two-track vehicle turning control (b) MATLAB script
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0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ramp input
y(t) Steady-state error
u 5 unit ramp input
a 5 0.6 and K 5 70
Linear simulation
aKramp.m
% This script computes the ramp response% for the two-track vehicle turning control% problem with a=0.6 and K=70%t=[0:0.01:10]; u=t;numgc=[1 0.6]; dengc=[1 1];numg=[70]; deng=[1 7 10 0];[numa,dena]=series(numgc,dengc,numg,deng);[num,den]=cloop(numa,dena);[y,x]=lsim(num,den,u,t);plot(t,y,t,u), gridxlabel('Time (sec)'), ylabel('y(t)')
(b)
(a)
Time (sec)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
y(t)
Figure 6.17 (a) Ramp response for a = 0.6 and K = 70 for two-trackvehicle turning control (b) MATLAB script
Exemplo de Projeto Sequencial
Sistema de Leitura de um Drive
B No bloco anterior – desempenho de sistemas realimentados – considerou-se
apenas um ganho estatico, Ka, associado ao amplificador no projeto sequencial
B Nesta bloco, a questao do ajuste do ganho Ka sera reavaliado quando se
considera um sensor de realimentacao de velocidade, como apresentado a seguir
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22
1 2
1R(s) Y(s)
Position
1s
1s + 20
Amplifier Motor coil
Ka G1(s)
H(s) = 1
D(s)
Velocity
Position sensor
K1
Velocity sensor
Switch
2
1 2
1R(s) Y(s)Ka G1(s)
1 + K1s
G2(s)
D(s)
Figure 6.22 The closed-loop disk drive head system with an optional velocity feedback
Figure 6.23 Equivalent system with the velocity feedback switch closed
Exemplo de Projeto Sequencial
B Inicialmente deixando a chave aberta, a FT malha fechada e
Y (s)
R(s)=
KaG1(s)G2(s)
1 + KaG1(s)G2(s)
sendo
G1(s) =5000
s + 1000e G2(s) =
1
s(s + 20)
Logo a EC e
s(s + 20)(s + 1000) + 5000Ka = s3 + 1020s2 + 20000s + 5000Ka = 0
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Exemplo de Projeto Sequencial
Arranjo de Routh
s3 1 20000
s2 1020 5000Ka
s1 b1
s0 5000Ka
⇒
b1 =(20000)1020 − 5000Ka
1020> 0
para estabilidade: Ka < 4080
B Se b1 = 0 obtem-se estabilidade marginal. Isto e obtido para Ka = 4080.
Portanto a equacao auxiliar e dada por
1020s2 + 5000(4080) = 0 ⇒ s1,2 = ±j141.4
B Esta analise permite responder uma questao relevante quando abordou-se
anteriormente o projeto sequencial: o ganho Ka nao pode assumir qualquer valor
neste caso com modelo completo - sem reducao...
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Exemplo de Projeto Sequencial
B Considerando a realimentacao de velocidade (ie, fechando a chave), a FT
malha fechada passa a ser:
Y (s)
R(s)=
KaG1(s)G2(s)
1 + [KaG1(s)G2(s)] (1 + K1s)
e a EC e
s(s + 20)(s + 1000) + 5000Ka(1 + K1s) =
s3 + 1020s2 + [20000 + 5000KaK1] s + 5000Ka = 0
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Exemplo de Projeto Sequencial
com arranjo de Routh
s3 1 [20000 + 5000KaK1]
s2 1020 5000Ka
s1 b1
s0 5000Ka
b1 =1020 [20000 + 5000KaK1] − 5000Ka
1020> 0
B Selecionar o par (Ka, K1) tal que b1 > 0, com Ka > 0...
B Eg, K1 = 0.05 e Ka = 100 ...
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TABLE 6.2 Performance of the Disk Drive System Compared to theSpecifications
Performance Measure Desired Value Actual Response
Percent overshoot Less than 5% 0%
Settling time Less than 250 ms 260 ms
Maximum responseto a unit disturbance Less than 5 2 10 13 2 2 1013
Table 6.2 Performance of the disk drive system compared to the specifications
Exemplo de Projeto Sequencial
B Usando MATLABc© para avaliar: (i) a resposta de r(t) para y(t); (ii) a maxima
resposta ao disturbio unitario d(t) para y(t).
ka = 100; k1 = 0.05; % Ganhos selecionados
s=tf(’s’) % variavel "s"
g1=tf([5000],[1 1000]) % G1(s)
g2=tf([1],[conv([1 0],[1 20])]) % G2(s)
FTmf=(ka*g1*g2)/(1+(ka*g1*g2)*(1+k1*s)) % FT malha fechada R->Y
FTdisturbio=(-g2)/(1+(ka*g1*g2)*(1+k1*s)) % FT malha fechada D->Y
subplot(2,1,1)
step(FTmf)
subplot(2,1,2)
step(FTdisturbio)
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Exemplo de Projeto Sequencial
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time (sec)
Am
plitu
deFTmf
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5−2
−1.5
−1
−0.5
0x 10
−3
Time (sec)
Am
plitu
de
FTdisturbio
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