aula01 circuito rlcc

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Modelagem no Domínio da Frequência Carlos Alexandre Mello Carlos Alexandre Mello – [email protected] 1 Carlos Alexandre Mello

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  • Modelagem no Domnio da Frequncia

    Carlos Alexandre Mello

    Carlos Alexandre Mello [email protected] 1

    Carlos Alexandre Mello

  • Transformada de Laplace

    O que so Transformadas?

    Quais as mais comuns: Laplace

    Fourier

    Cosseno

    2Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Cosseno

    Wavelet

    .....

  • Transformada de Laplace

    A transf. de Laplace representa entrada, sada e sistema como entidades separadas

    A relao entre elas algbrica

    Transformada de Laplace:

    3Carlos Alexandre Mello [email protected]

    onde s = + j uma varivel complexa

    F(s) dita a transformada de Laplace de f(t)

  • Transformada de Laplace

    O limite inferior da integral anterior significa que mesmo que f(t) seja descontnua em t = 0, podemos comear a integrao apesar da descontinuidade, contanto que a integral convirja

    Podemos assim encontrar a transf. de Laplace da funo impulso

    4Carlos Alexandre Mello [email protected]

    funo impulso

    Transformada Inversa de Laplace

    onde:

  • Transformada de Laplace

    Em geral, o clculo da transformada inversa bastante custoso, pois envolve o clculo de integrais complexas

    Mas o conjunto de funes importantes para a rea de controle pequeno, permitindo o uso de tabelas que fazem o mapeamento dessas funes

    5Carlos Alexandre Mello [email protected]

    tabelas que fazem o mapeamento dessas funes e de suas transformadas

    Vamos ver, a seguir, o clculo de algumas transformadas mais comuns:

  • Transformada de Laplace

    Algumas transformadas conhecidas

    6Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Transformada de Laplace

    Propriedades

    7Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Transformada de Laplace

    Exemplo 1:

    8Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Transformada de Laplace

    Exemplo 2: Transformada Inversa

    Pelo teorema do deslocamento em frequncia e pela transformada de Laplace de f(t) = t.u(t):

    9Carlos Alexandre Mello [email protected]

    transformada de Laplace de f(t) = t.u(t):

    Se: F(s) = 1/s2 f(t) = t.u(t)

    e: F(s + a) = 1/(s + a)2 f(t) = e-att.u(t)

    Ento: F1(s) = 1/(s + 3)2 f(t) = e-3tt.u(t)

  • Transformada de Laplace

    Transformada Inversa: Expanso em Fraes Parciais A Expanso em Fraes Parciais uma ferramenta

    matemtica bastante til no clculo da transf. de Laplace

    Objetivo matemtico: Simplificar uma funo, expandindo-a em funes de menor grau

    10Carlos Alexandre Mello [email protected]

    expandindo-a em funes de menor grau

    Objetivo para controle: Facilitar o clculo da transf. de Laplace

    Mtodos: Clearing Fractions

    Heaviside Cover-Up (ou Resduos)

  • Transformada de Laplace

    Expanso em Fraes Parciais (Clearing Fractions) Exemplo:

    11Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluzio Ribeiro.

  • Transformada de Laplace

    Expanso em Fraes Parciais (Heaviside Cover-Up ou Resduos) Exemplo:

    12Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluzio Ribeiro.

  • Transformada de Laplace

    Expanso em Fraes Parciais (Uso dos dois mtodos) Exemplo:

    13Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Fonte: aula de Sinais e Sistemas do prof. Aluzio Ribeiro.

  • Transformada de Laplace

    Expanso em Fraes Parciais Caso 1: Razes do denominador so reais e distintas

    Caso 2: Razes do denominador so reais e repetidas

    14Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Caso 3: Razes do denominador so complexas

  • Transformada de Laplace

    Uso de Transf. de Laplace: Resoluo de Equaes Diferenciais: Resolva a

    seguinte equao diferencial para y(t) com todas as condies iniciais nulas

    15Carlos Alexandre Mello [email protected]

    A transformada de Laplace para y(t) :

    que leva a:

  • Transformada de Laplace

    Uso de Transf. de Laplace: Resoluo de Equaes Diferenciais (cont):

    Por expanso em fraes parciais:

    16Carlos Alexandre Mello [email protected]

    ou

  • Funo de Transferncia

    A funo de transferncia retrata a relao entre a sada e a entrada de um sistema

    Tal relao pode ser expressa em funo da transf. de Laplace

    Geralmente, as funes de entrada e sada se

    17Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Geralmente, as funes de entrada e sada se relacionam atravs de uma equao diferencial linear e invariante no tempo de n-sima ordem:

    onde y(t) a sada e x(t) a entrada do sistema

  • Funo de Transferncia

    Dada a equao diferencial linear e invariante no tempo de n-sima ordem:

    Calculando a transf. de Laplace:

    18Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Se as condies iniciais forem nulas:

    Ou seja:

    G(s) a Funo de Transferncia

  • Funo de Transferncia

    Funo de Transferncia como diagrama de bloco:

    X(s) Y(s)

    G(s)

    19Carlos Alexandre Mello [email protected]

    E podemos encontrar a sada de um sistema dada a entrada e sua funo de transferncia: Y(s) = G(s).X(s)

    G(s)

  • Funo de Transferncia

    A FT de um sistema um modelo matemtico Mtodo operacional de expressar a equao diferencial

    que relaciona a entrada sada do sistema

    A FT uma propriedade do sistema Independe do sinal de entrada

    20Carlos Alexandre Mello [email protected]

    A FT relaciona a entrada sada, mas no fornece qualquer informao quanto estrutura fsica do sistema Diferentes sistemas podem ter a mesma funo de

    transferncia

  • Funo de Transferncia

    Se a funo de transferncia de um sistema for conhecida, a sada pode ser estudada para vrias formas de entrada a fim de entender a natureza do sistema

    Se a funo de transferncia for desconhecida, ela pode ser inferida experimentalmente introduzindo-

    21Carlos Alexandre Mello [email protected]

    pode ser inferida experimentalmente introduzindo-se sinais de entrada conhecidos e analisando o sinal de sada

  • Funo de Transferncia

    Quando a entrada a funo impulso, temos: Y(s) = G(s).X(s)

    X(s) = 1 Y(s) = G(s)

    cuja transformada inversa daria g(t)

    Essa a chamada resposta impulsional do sistema e tambm sua funo de transferncia

    22Carlos Alexandre Mello [email protected]

    tambm sua funo de transferncia

    Portanto, possvel obter informao completa sobre as caractersticas de um sistema excitando-o com um impulso unitrio e medindo a sua resposta

    Na prtica, seria um pulso de durao bastante curta

  • Funo de Transferncia

    Diagrama de blocos Representao grfica das funes desempenhadas por

    cada um dos componentes de um sistema e do fluxo de sinais entre eles

    Todas as variveis so ligadas umas s outras atravs de blocos funcionais

    23Carlos Alexandre Mello [email protected]

    de blocos funcionais O bloco traz a representao matemtica da operao aplicada

    sobre a entrada que leva sada

    A representao em diagramas de bloco de um sistema no nica

  • Funo de Transferncia

    Diagrama de blocos Elementos:

    G(s)XX(s) E(s) Y(s)

    Ponto de Soma

    Ponto de Ramificao

    24Carlos Alexandre Mello [email protected]

    G(s)X+ -X(s) E(s) Y(s)

    Sistema de malha fechada

  • Funo de Transferncia

    Diagrama de blocos Outros tipos:

    G(s)X+ -X(s) E(s) Y(s)

    25Carlos Alexandre Mello [email protected]

    H(s)

    B(s)

    Y(s) = E(s)G(s) = [X(s) B(s)]G(s) = [X(s) Y(s)H(s)]G(s)

    Y(s) + Y(s)H(s)G(s) = X(s)G(s)

    Y(s)/X(s) = G(s)/[1 + H(s)G(s)] (Funo de Transferncia do sistema)

  • Funo de Transferncia

    Diagrama de blocos Outros tipos:

    G1(s)X+ -X(s) Y(s)

    G2(s)X++

    PerturbaoD(s)

    26Carlos Alexandre Mello [email protected]

    H(s)

    B(s)

    Se D(s) = 0:

    Y(s)/X(s) = G1(s)G2(s)/[1 + G1(s)G2(s)H(s)] (Funo de Transferncia do sistema)

  • Funo de Transferncia

    Exemplo 1: Ache a funo de transferncia do sistema representado por: dy(t)/dt +2y(t) = x(t)

    Soluo: Tomando a transf. de Laplace:

    sY(s) + 2Y(s) = X(s)

    (s + 2)Y(s) = X(s)

    27Carlos Alexandre Mello [email protected]

    (s + 2)Y(s) = X(s)

    G(s) = Y(s)/X(s) = 1/(s + 2)

  • Funo de Transferncia

    Exemplo 2: Dada a funo de transferncia anterior, ache a resposta do sistema para um degrau unitrio; considere nulas as condies iniciais: x(t) = u(t)

    G(s) = Y(s)/X(s) = 1/(s + 2)

    28Carlos Alexandre Mello [email protected]

    G(s) = Y(s)/X(s) = 1/(s + 2)

    X(t) = u(t) X(s) = 1/s

    Logo: Y(s) = G(s).X(s)

    Y(s) = 1/[s.(s + 2)]

    Y(s) = 0,5/s 0,5/(s + 2) Expanso em Fraes Parciais

    y(t) = 0,5 0,5e-2t

  • Funo de Transferncia

    Exemplo 2 (cont.): Soluo total pelo MatLab

    29Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia

    Exerccio 1: Ache a funo de transferncia da equao diferencial:

    Soluo: Tomando a transf. de Laplace:

    30Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Soluo: Tomando a transf. de Laplace: Y(s)(s3 + 3s2 + 7s + 5) = X(s)(s2 + 4s + 3)

    Logo: G(s) = Y(s)/X(s) = (s2 + 4s + 3)/(s3 + 3s2 + 7s + 5)

  • Funo de Transferncia

    Exerccio 2: Ache a equao diferencial correspondente seguinte funo de transferncia: G(s) = (2s + 1)/(s2 + 6s + 2)

    Soluo:

    31Carlos Alexandre Mello [email protected]

    G(s) = Y(s)/X(s) = (2s + 1)/(s2 + 6s + 2)

    Logo: Y(s)(s2 + 6s + 2) = X(s)(2s + 1)

    s2Y(s) + 6sY(s) + 2Y(s) = 2sX(s) + X(s)

    d2y/dt2 + 6dy/dt + 2y = 2dx/dt + x

  • Funo de Transferncia

    Exerccio 3: Ache a resposta a uma rampa para um sistema cuja funo de transferncia : G(s) = s/[(s + 4)(s + 8)]

    Soluo:

    32Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Logo:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Modelagem matemtica de circuitos eltricos Resistores, capacitores e indutores

    Componentes so combinados em circuitos e encontramos a funo de transferncia

    33Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC Problema: Encontrar a funo de transferncia que

    relaciona a voltagem do capacitor (Vc(s)) com a voltagem de entrada (V(s))

    34Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC Somando as voltagens no lao e considerando nulas as

    condies iniciais, temos a seguinte equao diferencial para essa rede:

    35Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Considerando:

    Temos:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC

    A voltagem de um capacitor dada por:

    Temos assim:

    Ou seja:

    36Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Calculando a Transformada de Laplace:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC

    Ou:

    37Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Para simplificar, vamos considerar a transf. de Laplace das equaes de voltagem da tabela anterior (assumindo nulas as condies iniciais): Capacitor:

    Resistor:

    38Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Resistor:

    Indutor:

    Definimos, assim, a seguinte funo de transferncia:

    Impedncia

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC:

    Podemos entender Z(s) como a soma das impedncias e V(s) como a soma das voltagens. Assim:

    39Carlos Alexandre Mello [email protected]

    e V(s) como a soma das voltagens. Assim: [Soma das Impedncias].I(s) = [Soma das Voltagens]

    Circuito

    transformado

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC: Resolvendo o problema anterior usando impedncias:

    Temos:

    Logo:

    40Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Como:

    Assim:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Rede RLC: Ou:

    41Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Como encontrado anteriormente....

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Substitua elementos passivos por funes de

    impedncia

    Substitua fontes e variveis de tempo por suas transf. de Laplace

    Assuma uma corrente transformada e uma direo de

    42Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Assuma uma corrente transformada e uma direo de corrente em cada malha

    Aplique a lei de Kirchhoff para cada malha

    Resolva as equaes simultneas para a sada

    Forme a funo de transferncia

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Exemplo:

    43Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Malha 1 Malha 2

    G(s) = I2(s)/V(s) = ?

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Exemplo (cont.): Passo 1: Impedncias

    44Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Malha 1 Malha 2

    Malha 1:

    Malha 2:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Exemplo (cont.): Temos:

    45Carlos Alexandre Mello [email protected]

    De (2):

    Substituindo em (1):

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Exemplo (cont.): Ou:

    46Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Malha Exemplo (cont.): Observe que as equaes paras as

    malhas 1 e 2 seguiram um mesmo padro usado anteriormente. Ou seja:

    Malha 1: I (s) - I (s) = Soma das Soma das Soma das

    47Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Malha 1: I1(s) - I2(s) = Soma das

    Impedncias

    da Malha 1

    Soma das

    Impedncias

    comuns

    Soma das

    Voltagens da

    Malha 1

    Malha 2: I1(s) + I2(s) = Soma das

    Impedncias

    comuns

    Soma das

    Impedncias

    da Malha 2

    Soma das

    Voltagens da

    Malha 2

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo: Encontrar a funo de transferncia Vc(s)/V(s)

    para o circuito abaixo, usando anlise de ns:

    48Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Nesse caso, usamos a soma das correntes nos ns ao invs da soma das voltagens nas malhas

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo (cont.): Da figura anterior, as somas das

    correntes nos ns VL(s) e VC(s) so, respectivamente:

    49Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Expressando as resistncias em termos de condutncia G1 = 1/R1 e G2 = 1/R2

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo (cont.): Assim:

    50Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Substitua elementos passivos por funes de admitncia

    Y(s) = 1/Z(s) = I(s)/V(s) (admitncia = inverso da impedncia)

    Substitua fontes e variveis de tempo por suas transf. de Laplace

    Substitua as fontes de voltagem transformadas por fontes de corrente transformadas

    51Carlos Alexandre Mello [email protected]

    corrente transformadas

    Aplique a lei de Kirchhoff para cada n

    Resolva as equaes simultneas para a sada

    Forme a funo de transferncia

    Teorema de Norton Uma fonte de tenso V(s) em srie com uma impedncia

    ZS(s) pode ser substituda por uma fonte de corrente I(s) = V(s)/ZS(s), em paralelo com ZS(s)

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo: Ache a funo de transferncia VC(s)/V(s) usando

    anlise de ns e circuito transformado com fontes de corrente

    Circuito Original:

    52Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Circuito Original:

    Circuito Transformado:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo (cont.): Todas as impedncias so convertidas para admitncias

    Todas as fontes de tenso so convertidas para fontes de corrente colocadas em paralelo com admitncia de acordo com o teorema de Norton

    53Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo (cont.): Como Y(s) = I(s)/V(s) I(s) = Y(s)V(s)

    Somando as correntes no n VL(s) temos:

    54Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Somando as correntes no n VC(s) temos:

    Combinando essas equaes, encontramos, como antes:

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Anlise de Ns: Exemplo (cont.): Como antes, tambm temos um padro:

    N 1: VL(s) - VC(s) =

    Soma das

    Admitncias

    conectadas

    Soma das

    Admitncias

    comuns aos

    Soma das

    Correntes

    aplicadas no

    55Carlos Alexandre Mello [email protected]

    conectadas

    no N 1

    comuns aos

    Ns

    aplicadas no

    N 1

    N 2: VL(s) + VC(s) =

    Soma das

    Admitncias

    comuns aos

    Ns

    Soma das

    Admitncias

    conectadas

    ao N 2

    Soma das

    Correntes

    aplicadas no

    N 2

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Exemplo:

    Malha 3

    56Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Malha 1 Malha 2

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Exemplo (cont.):

    Malha 1:

    Malha 2:

    Soma das

    Impedncias

    na Malha 1

    I1(s) - I2(s) - I3(s) =

    Soma das

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 1 e 2

    Soma das

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 1 e 3

    Soma das

    voltagens

    aplicadas

    Malha 1

    Soma das

    Impedncias - I (s) + I (s) - I (s) = Soma das

    Soma das

    Impedncias

    Soma das

    voltagens

    57Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Malha 2:

    Malha 3:

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 1 e 2

    - I1(s) + I2(s) - I3(s) = Soma das

    Impedncias

    na Malha 2

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 2 e 3

    voltagens

    aplicadas

    Malha 2

    Soma das

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 1 e 3

    - I1(s) - I2(s) + I3(s) =

    Soma das

    Impedncias

    comuns s

    Malhas 2 e 3

    Soma das

    Impedncias

    na Malha 3

    Soma das

    voltagens

    aplicadas

    Malha 3

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Exemplo (cont.): Malha 1: (2s + 2)I1(s) (2s + 1)I2(s) I3(s) = V(s)

    Malha 2: -(2s + 1)I1(s) + (9s + 1)I2(s) 4sI3(s) = 0

    Malha 3: -I1(s) 4sI2(s) + (4s + 1 + 1/s)I3(s) = 0

    As 3 equaes devem ser resolvidas simultaneamente para encontrarmos as funes de transferncia

    58Carlos Alexandre Mello [email protected]

    para encontrarmos as funes de transferncia desejadas (como I3(s)/V(s), por exemplo)

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Exemplo (cont.):(2s + 2)I1 (2s + 1)I2 I3 = V (1)

    -(2s + 1)I1 + (9s + 1)I2 4sI3 = 0 (2)

    -I1 4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 = 0 (3)

    De (3):

    I = -4sI + (4s + 1 + 1/s)I (4)

    59Carlos Alexandre Mello [email protected]

    I1 = -4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 (4)

    Substituindo (4) em (2):

    (2s + 1)[4sI2 - (4s + 1 + 1/s)I3] + (9s + 1)I2 4sI3 = 0

    I2 = -I3(8s2 + 10s + 3 + 1/s)/(8s2 + 13s + 1) (5)

    Substituindo (5) em (4), achamos I1 em funo apenas de I3. Assim, temos em (1), I1 e I2 em funo de I3 e podemos isolar I3 e calcular a funo de transferncia I3/V.

  • Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    Exemplo (cont.): No MatLab(2s + 2)I1 (2s + 1)I2 I3 = V

    -(2s + 1)I1 + (9s + 1)I2 4sI3 = 0

    -I1 4sI2 + (4s + 1 + 1/s)I3 = 0

    60Carlos Alexandre Mello [email protected]

    MatLab Symbolic Toolbox

  • Amplificador Operacional

    Os amplificadores operacionais so amplificadores de

    acoplamento direto, de alto ganho, que usam

    realimentao para controle de suas caractersticas

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    61Carlos Alexandre Mello [email protected]

    realimentao para controle de suas caractersticas

  • Amplificador Operacional

    Amplificador

    operacional

    Amplificador

    operacional

    inversor

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    62Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Amplificador

    operacional

    como funo

    de transferncia

  • Amplificador Operacional

    Caractersticas:

    Entrada diferencial: v2(t) v1(t)

    Alta impedncia de entrada: Z (ideal)

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    63Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Alta impedncia de entrada: Zi (ideal)

    Baixa impedncia de sada: Zo 0 (ideal)

    Alta constante de ganho de amplificao: A (ideal)

    A sada dada por: vo(t) = A(v2(t) v1(t))

  • Amplificador Operacional Inversor Se v2(t) est aterrado, o amplificador chamado de

    inversor porque passamos a ter: vo(t) = -Av1(t)

    Na configurao da figura c anterior, a funo de transferncia do amplificador operacional inversor :

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    64Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Exemplo: Ache a funo de transferncia Vo(s)/Vi(s) para o circuito abaixo:

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    65Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Exemplo (cont.): Como a admitncia de componentes paralelos se

    somam, Z1(s) o inverso da soma das admitncias ou:

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    66Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Para Z2(s) as impedncias se somam:

    Assim:

    Compensador PID

  • Amplificador Operacional No Inversor

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    67Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Amplificador Operacional No Inversor: Exemplo: Ache Vo(s)/Vi(s)

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    68Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Amplificador Operacional

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    69Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Amplificador Operacional

    Funo de Transferncia de Circuitos Eltricos

    70Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • Exerccios Sugeridos (Nise)

    Cap. 2, Problemas:

    1, 2, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 20a

    No MatLab:

    5, 6, 14, 20b

    71Carlos Alexandre Mello [email protected]

    5, 6, 14, 20b

  • Aproximaes Lineares de Sistemas Fsicos

    Carlos Alexandre Mello

    Carlos Alexandre Mello [email protected] 72

    Carlos Alexandre Mello

  • Linearizao

    Embora muitos sistemas sejam vistos como lineares eles so, de fato, lineares em intervalos

    Se o sistema operar em torno de um ponto de equilbrio e os sinais envolvidos tiverem pequena amplitude, possvel aproximar o sistema no-linear por um linear

    73Carlos Alexandre Mello [email protected]

    linear por um linear Ambos sero considerados equivalentes dentro de um

    conjunto limitado de operaes

  • Linearizao

    Um sistema definido linear em termos da excitao e da resposta do sistema

    No caso de uma rede eltrica, a excitao a corrente de entrada e a resposta a tenso

    Em geral, uma condio necessria para um

    74Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Em geral, uma condio necessria para um sistema ser linear pode ser determinada em termos de uma excitao x(t) e uma resposta y(t)

    Quando o sistema est em repouso e sujeito a uma

    excitao x1(t), ele prov uma resposta y1(t); quando ele

    sujeito a uma exitao x2(t), ele gera uma resposta

    y2(t)

  • Linearizao

    Para um sistema ser linear, necessrio que a

    excitao x1(t) + x2(t) gere uma resposta y1(t) +

    y2(t)

    Isso normalmente chamado de princpio da superposio

    75Carlos Alexandre Mello [email protected]

    superposio

    Mais ainda, um fator de escala de magnitude deve

    ser preservado em um sistema linear

    Para um sistema com entrada x(t) e sada y(t), se

    a entrada multiplicada por uma constante ,

    ento a sada tambm ser multiplicada por

    Essa propriedade chamada de homogeneidade

  • Linearizao

    Um sistema linear satisfaz as propriedades de

    superposio e homogeneidade

    y = x2 no linear porque no satisfaz a condio de

    superposio

    y = mx + b no linear porque no satisfaz a condio

    76Carlos Alexandre Mello [email protected]

    y = mx + b no linear porque no satisfaz a condio

    de homogeneidade

    No entanto, esse segundo caso pode ser

    considerado linear sob um ponto x0, y0, se as

    mudanas x e y forem pequenas

  • Linearizao

    Quando x = x0 + x e y = y0 + y, temos:

    y = mx + b

    ou

    y0 + y = mx0 + mx + b

    Para y = mx, as condies necessrias so

    77Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Para y = mx, as condies necessrias so

    satisfeitas

  • Assim, a ideia linearizar um sistema no linear

    assumindo condies de sinais pequenas

    Considere uma excitao x(t) e uma resposta y(t)

    A relao entre as duas variveis pode ser escrita

    como y = g(x(t))

    LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    78Carlos Alexandre Mello [email protected]

    como y = g(x(t))

    O ponto de operao normal considerado x0 Como a curva (funo) contnua sobre uma rea

    de interesse, uma expanso em srie de Taylor

    sobre o ponto de operao pode ser usada

  • Uma expanso em srie de Taylor a expanso de uma srie de funes ao redor de um ponto

    Uma srie de Taylor de uma dimenso uma

    expanso de uma funo real f(x) ao redor do

    LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    79Carlos Alexandre Mello [email protected]

    expanso de uma funo real f(x) ao redor do

    ponto em que x assume um valor qualquer (a,

    por exemplo)

  • Temos ento:

    ou:

    LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    80Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Apenas notaes diferentes...

  • A inclinao sob o ponto de operao

    uma boa aproximao para a curva sobre uma

    pequena extenso de (x x )

    LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    81Carlos Alexandre Mello [email protected]

    pequena extenso de (x x0)

    Assim, uma aproximao razovel :

    onde m a inclinao no ponto de operao x0

  • Temos assim a equao linear:

    ou y = mx

    LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    82Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Resumo:

    Base: Expanso em Srie de Taylor Considere um sistema com entrada x(t), sada y(t) e

    relao y = f(x)

    Se a condio de operao normal corresponde a x0 e y , ento a relao entre x e y pode ser expandida como

    83Carlos Alexandre Mello [email protected]

    y0, ento a relao entre x e y pode ser expandida como srie de Taylor como:

    com as derivadas avaliadas em (x x0). Se a variao de (x x0) for pequena, podemos desprezar os

    termos de ordem mais elevada

    (1)

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Assim, a Equao 1 pode ser re-escrita como:

    onde:

    (2)

    84Carlos Alexandre Mello [email protected]

    A equao 2 pode ainda ser re-escrita como:

    Ou seja, (y y0) proporcional a (x x0)

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Com isso, temos uma aproximao linear para o modelo no-linear dado

    Considere agora um sistema no-linear cuja sada y funo de duas entradas x1 e x2: y = f(x1, x2)

    85Carlos Alexandre Mello [email protected]

    1 2

    Expandindo em srie de Taylor em torno de x1 e x2:

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    O modelo matemtico linear desse sistema no-linear, nas proximidades das condies normais de operao dado por:

    onde:

    86Carlos Alexandre Mello [email protected]

    onde:

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Se as condies de operao variam muito, essas

    equaes linearizadas no so adequadas e as

    equaes no lineares devem ser usadas

    87Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 1: Modelo de Oscilao de Pndulo

    Considere o pndulo abaixo:

    88Carlos Alexandre Mello [email protected]

    O torque na massa M : T = MgL sen, onde g a gravidade

    A condio de equilbrio para a massa em 0=0o

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 1 (cont.):

    A relao entre T e pode ser vista graficamente abaixo:

    89Carlos Alexandre Mello [email protected]

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 1 (cont.):

    A primeira derivada calculada no ponto de equilbrio prov a aproximao linear:

    90Carlos Alexandre Mello [email protected]

    E, quando T0 = 0, temos:

    que uma aproximao razovel para entre -/4 e /4

    Cerca de 5% de erro para = /6

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 2: Linearize a equao no linear z=xy na regio 5 x 7, 10 y 12. Encontre o erro para o caso em que a equao linearizada seja utilizada para calcular o valor de z quando x = 5 e y = 10.

    Soluo: Como a regio considerada 5 x 7, 10 y 12, escolhemos x = 6 e y = 11.

    91Carlos Alexandre Mello [email protected]

    10 y 12, escolhemos x0 = 6 e y0 = 11.

    Assim, z0 = x0.y0 = 6.11 = 66

    Expandindo a equao no linear em uma srie de Taylor prxima do ponto x0 = 6 e y0 = 11 e desprezando os termos de ordem mais elevada, temos:

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 2 (cont.):

    Onde:

    92Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Logo:

  • LinearizaoAproximao Linear de Modelos Matemticos No Lineares

    Exemplo 2 (cont.):

    Quando x = 5 e y = 10 o valor de z dado pela equao linearizada 49, enquanto o valor exato seria 50

    Isso d um erro de 2%

    93Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Isso d um erro de 2%

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear Problema: Encontrar a funo de transferncia

    VL(s)/V(s) para o circuito abaixo, o qual contm um resistor no-linear cuja relao entre corrente e tenso dada por ir = 2e

    0,1vr, onde ir e vr so a corrente e tenso do resistor respectivamente

    94Carlos Alexandre Mello [email protected]

    do resistor respectivamente

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear Pela lei das malhas, temos:

    Ou seja:

    95Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Considerando i0 como a corrente de equilbrio, tomamos uma pequena variao, assim, i = i0 + i

    Logo:

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear Precisamos agora linearizar :

    96Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Assim, a equao diferencial fica:

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear Vamos analisar a condio de equilbrio

    Se a fonte v(t) for ajustada para zero, teremos apenas a bateria de 20V em srie com o indutor e o resistor no-linear

    No estado estacionrio, a tenso sobre o indutor ser

    97Carlos Alexandre Mello [email protected]

    No estado estacionrio, a tenso sobre o indutor ser zero j que vL(t) = Ldi/dt e di/dt = 0 no estado estacionrio, com a bateria constante

    Assim, a tenso do resistor 20V

    Como ir = 2e0,1vr, ento ir = 2e

    0,1.20 = 14,78 amps = i0

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear Agora, voltando para a equao diferencial aps a

    linearizao com L = 1 e i0 = 14,78

    98Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Obs: 10*ln(14,78/2) 20

  • LinearizaoLinearizando uma equao diferencial

    Circuito Eltrico No-Linear A tenso no indutor dada por:

    99Carlos Alexandre Mello [email protected]

    Como:

    Ento:

    Para pequenos valores ao redor de i = 14,78 amps

  • A Seguir....

    Modelagem no Domnio do Tempo

    100Carlos Alexandre Mello [email protected]