aula sobre espaço de estados
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Espaco de Estados
Joao V. C. Fontes
Escola de Engenharia de Sao CarlosUniversidade de Sao Paulo
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Organizacao
1 Resposta de Sistemas de 1 GDLSistemas de Primeira OrdemSistemas de Segunda Ordem
2 Espaco de EstadosSistema de 1 GDLSistema de N GDL
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Espaco deEstados
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistemas de 1 GDL
Sistema SISO (Single Input, Single Output)Exemplo: Massa-mola-amortecedor
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta de Sistemas
• Resposta transiente
• Dinamica do sistema• Resposta homogenea
• Resposta em regime
• Entrada do sistema• Resposta particular
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistemas de 1 GDL
Podem ser representados totalmente por uma FuncaoTransferencia
Definicao
Funcao transferencia e a representacao matematica darelacao entre a saıda e a entrada de um sistema
Ordem do sistema depende do maior ındice da derivada doGDL presente na equacao dinamica
Y (s)
U(s)=
(bnsn + bn−1s
n−1 + . . .+ b1s+ b0)
(ansn + an−1sn−1 + . . .+ a1s+ a0)
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 1◦ Ordem
Y (s)
U(s)=
K
(τs+ 1)
K=2;tau=1;
Planta = tf([K],[tau 1])
hold onstep(Planta)
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 1◦ Ordem
Y (s)
U(s)=
K
(τs+ 1)
0 2 4 6 8 10 120
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
X: 1.993Y: 0.6309
X: 1.993Y: 1.262
X: 0.9967Y: 1.262
Step Response
Am
plitu
deK=2; Tau=1K=2; Tau=2K=1; Tau=2
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 2◦ Ordem
Variacao de wn
Y (s)
U(s)=
K1w2
ns2 + 2ζ
wns+ 1
K=1;wn=1;zeta=0.1;
Planta = tf([K],[1/wnˆ2 2*zeta/wn 1])
subplot(3,1,1)step(Planta)
axis([0 80 0 2])
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 2◦ Ordem
Y (s)
U(s)=
K1w2
ns2 + 2ζ
wns+ 1
0 10 20 30 40 50 60 70 800
1
2Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
0 10 20 30 40 50 60 70 800
1
2Step Response
Time (sec)A
mpl
itude
0 10 20 30 40 50 60 70 800
1
2Step Response
Time (sec)
Am
plitu
dewn=3
wn=2
wn=1
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 2◦ Ordem
Variacao de ζ
Y (s)
U(s)=
K1w2
ns2 + 2ζ
wns+ 1
K=1;wn=1;zeta=0.1;
Planta = tf([K],[1/wnˆ2 2*zeta/wn 1])
hold onstep(Planta)
axis([0 20 0 2])
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Resposta ao Degrau: 2◦ Ordem
Y (s)
U(s)=
K1w2
ns2 + 2ζ
wns+ 1
0 5 10 15 200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Step Response
Time (sec)
Am
plitu
dezeta=0.1zeta=0.3zeta=0.5zeta=1.0zeta=1.3
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Espaco de Estados
Teoria de Controle Moderno
• Entradas e saıdas multiplas
• MIMO: Multiple Input, Multiple Output
• Abordagem no domınio do tempo
• Possibilidade de lidar com sistemas nao-lineares
• Base no conceito de estado
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Definicoes
Estado
Menor conjunto de valores de variaveis independentes dosistema que determinam completamente o comportamento dosistema
Variaveis de estado
Variaveis independentes que descrevem completamente osistema
Vetor de estado
Formado pelas variaveis de estado
Espaco de Estado
Espaco vetorial formado pelo vetor de estado
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Analise em Espaco de Estados
Envolve tres tipos de variaveis
• Variaveis de entrada
• Variaveis de saıda
• Variaveis de estado
Supondo um sistema com:
• r entradas: u1(t), u2(t), . . . , ur(t)
• m saıdas: y1(t), y2(t), . . . , ym(t)
• n variaveis de estado: x1(t), x2(t), . . . , xn(t)
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Equacoes do Espaco de Estados
O sistema pode ser escrito como:
x1 = f1(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)
x2 = f2(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)...
xn = fn(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)
y1 = g1(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)
y2 = g2(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)...
ym = gm(x1, x2, . . . , xn;u1, u2, . . . , ur; t)
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Equacoes do Espaco de Estados
Definindo os vetores de entrada, saıda e de variaveis de estado,podemos escrever todas as funcoes na forma vetorial
x(t) =
x1(t)x2(t)
...xn(t)
; y(t) =
y1(t)y2(t)
...ym(t)
; u(t) =
u1(t)u2(t)
...ur(t)
f(x,u, t) =
f1(x,u, t)f2(x,u, t)
...fn(x,u, t)
; g(x,u, t) =
g1(x,u, t)g2(x,u, t)
...gm(x,u, t)
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Equacoes do Espaco de Estados
Equacao de Estado
x(t) = f(x,u, t)
Equacao de Saıda
y(t) = g(x,u, t)
Se as funcoes f ou g forem dependentes explicitamente dotempo t, entao e dito que o sistema e variante no tempo
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Equacoes do Espaco de Estados
Colocando em evidencia os vetores de variaveis de estado e deentrada, a equacao de estado e a equacao de saıda podem serreescritas na forma:
Equacao de Estado
x(t) = A(t)x(t) +B(t)u(t)
Equacao de Saıda
y(t) = C(t)x(t) +D(t)u(t)
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Representacao Diagrama de Blocos
Representacao no diagrama de blocos do espaco de estados
A: Matriz de estado C: Matriz de saıdaB: Matriz de entrada D: Matriz de transmissao direta
x(t) = Ax(t) +Bu(t)
y(t) = Cx(t) +Du(t)19 / 32
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
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Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Funcao Transferencia
Considerando a Transformada de Laplace
sX(s) = AX(s) +BU(s)
Y(s) = CX(s) +DU(s)
Isolando X
X(s) = (sI−A)−1BU(s)
Substituindo na equacao de saıda e fazendo a relacao de saıdapela entrada
G(s) =Y(s)
U(s)= C(sI−A)−1B+D
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Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 1 GDL
X(s)
F (s)=
1
ms2 + cs+ k
A =
[0 1
− km − c
m
]B =
[01
]C =
[1 0
]D =
[0]
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Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 1 GDL (MATLAB)
m=2; tfs=C*inv(s*I−A)*B+Dk=1; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D)c=0.1;
tol=1e−6;A=[0 1;−k/m −c/m]; num(num>0 & num<tol)=0B=[0;1/m]; ft=tf(num,den)C=[1 0]; ft2=tf([1],[m c k])D=0;
step(tfs)Planta=ss(A,B,C,D); figure
step(ft2)I=eye(2);s=tf([1 0],[1]);
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 1 GDL (MATLAB)
X(s)
F (s)=
1
2s2 + 0.1s+ 1
0 50 100 150 200 2500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL
m1x1 + c1x1 + k1x1 + c2(x1 − x2) + k2(x1 − x2) = F1
m2x2 + c2(x2 − x1) + k2(x2 − x1) = F2
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL
Reescrever equacoes na forma matricial
m1x1 + c1x1 + k1x1 + c2(x1 − x2) + k2(x1 − x2) = F1
m2x2 + c2(x2 − x1) + k2(x2 − x1) = F2
[m1 00 m2
] [x1x2
]+
[c1 + c2 −c2−c2 c2
] [x1x2
]+
[k1 + k2 −k2−k2 k2
] [x1x2
]=
[F1
F2
]
M x+ Cx+Kx = F
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL
X =
x1x2x1x2
M x+ Cx+Kx = F
x =M−1F −M−1Cx−M−1Kx
X =
x1x2x1x2
=
0 0 1 00 0 0 1
−M−1K −M−1C
x1x2x1x2
+
0 00 0M−1
[F1
F2
]
Y =
[y1y2
]=
[1 0 0 00 1 0 0
]x1x2x1x2
+
[0 00 0
] [F1
F2
]
26 / 32
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL
x1x2x1x2
=
0 0 1 00 0 0 1
−M−1K −M−1C
︸ ︷︷ ︸
A
x1x2x1x2
+
0 00 0M−1
︸ ︷︷ ︸
B
[F1
F2
]
[y1y2
]=
[1 0 0 00 1 0 0
]︸ ︷︷ ︸
C
x1x2x1x2
+
[0 00 0
]︸ ︷︷ ︸
D
[F1
F2
]
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Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL (MATLAB)
m1=1; m2=2;k1=1; k2=2; c1=0.1; c2=0.2;
M=[m1 0;0 m2];C=[c1+c2 −c2; −c2 c2];K=[k1+k2 −k2; −k2 k2];
A=[0 0 1 0; 0 0 0 1; −inv(M)*K, −inv(M)*C];B=[0 0; 0 0; inv(M)];C=[1 0 0 0;0 1 0 0]; D=zeros(2);
planta=ss(A,B,C,D);
I=eye(4); s=tf([1 0],[1]);
28 / 32
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Espaco deEstados
Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL (MATLAB)
tfs=C*inv(s*I−A)*B+D
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1);tol=1e−6;num(num>0 & num<tol)=0;num(num<0 & num>−tol)=0;ft11=tf(num(1,:),den)ft12=tf(num(2,:),den)
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,2);num(num>0 & num<tol)=0;num(num<0 & num>−tol)=0;ft21=tf(num(1,:),den)ft22=tf(num(2,:),den)
step(tfs)
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Joao V. C.Fontes
Resposta deSistemas de 1GDL
Sistemas dePrimeira Ordem
Sistemas deSegunda Ordem
Espaco deEstados
Sistema de 1GDL
Sistema de NGDL
Sistema de 2 GDL (MATLAB)
x1F1
=s2 + 0.1s+ 1
s4 + 0.4s3 + 4.01s2 + 0.2s+ 1
x2F1
=0.1s+ 1
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x1F2
=0.1s+ 1
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=0.5s2 + 0.15s+ 1.5
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Sistema de 2 GDL (MATLAB)
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