controle ii

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CONTROLE II Prof. Samuel Bettoni 11/09/12

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CONTROLE II. Prof. Samuel Bettoni 11 /09/12. ESPAÇO DE ESTADOS. Espa ço de Estados. O estudo de um sistema de controle discreto que estudamos até o momento foi utilizando o conceito de função de transferência . - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: CONTROLE  II

CONTROLE IIProf. Samuel Bettoni 11/09/12

Page 2: CONTROLE  II

ESPAÇO DE ESTADOS

Page 3: CONTROLE  II

Espaço de Estados

O estudo de um sistema de controle discreto que estudamos até o momento foi utilizando o conceito de função de transferência.

A questão é que essa abordagem é ineficiente quando temos sistemas que apresentam várias entradas e várias saídas.

Page 4: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Os métodos convencionais são eficientes em lidar com sistemas com única entrada e única saída (SISO – single-input and single-output).

Page 5: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Um sistema de controle moderno pode ter várias entradas e várias saídas. Um método para análise e síntese de sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO – multiple-input and multiple-output) é espaço de estados.

Page 6: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Page 7: CONTROLE  II

Espaço de Estados

As vantagens da utilização do método espaço de estados: Esse conceito habilita o engenheiro de

projetar um sistema de controle com respeito a uma determinada performance interna.

Habilita o engenheiro a incluir condições iniciais ao projeto.

Page 8: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Se um sistema discreto é invariante no tempo, as equações em espaço de estados podem ser escritas da seguinte forma:

A saída desse sistema também será escrita como:

)](),([)1( kukxfkx

)](),([)( kukxgky

Page 9: CONTROLE  II

Espaço de Estados

As equações anteriores podem ser reduzidas na forma matricial, dadas por:

)()()(

)()()1(

kkk

kkk

DuCxy

BuAxx

A, B, C e D: matrizes de dimensões apropriadas

Page 10: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Exemplo 1: Deseja-se encontrar o modelo em espaço de

estados (variáveis de estado) do sistema descrito pela equação de diferenças.

)(72,0)1(7,1)()2( kykykuky

Solução

Definindo x1(k) = y(k) e x2(k) = x1(k+1) = y(k+1)

Então, x2(k+1) = y(k+2) = u(k) + 1,7x2(k) - 0,72x1(k)

Através dessas equações podemos escrever:x1(k+1) = x2(k)x2(k+1) = -0,72x1(k) + 1,7x2(k) + u(k)y(k) = x1(k)

Page 11: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Exemplo 2: Deseja-se encontrar o modelo em espaço de

estados (variáveis de estado) do sistema descrito pela equação de diferenças.

Solução

Expressando essas últimas equações na forma matricial, escrevemos:

)(72,0)1(7,1)()2( kykykuky

)(01)(

)(1

0)(

7,172,0

10)1(

kky

kkk

x

uxx

Page 12: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Uma outra maneira de obter as equações em espaço de estados é utilizando a função de transferência no domínio Z.

Seja a função de transferência

sendo a ordem do numerador (n-1) menor do que a ordem do denominador (n).

A ordem do sistema é n.

011

1

012

21

1

...

...)(

azazaz

bzbzbzbzG

nn

n

nn

nn

Page 13: CONTROLE  II

Espaço de Estados

As equações de estado podem ser escritas na forma matricial:

)(

10

0

0

)(

)(

)()(

001000

000100

000010

)1(

)1(

)1()1(

3

2

1

143210

3

2

1

ku

kx

kx

kxkx

aaaaaakx

kx

kxkx

nnn

)(

)(

)(

...)( 2

1

110

kx

kx

kx

bbbky

n

n

Page 14: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Exemplo 2: Considere que a função de transferência de

um sistema discreto é

Qual as equações de estado correspondente?

5,02

12)(

23

2

zzz

zzzG

Page 15: CONTROLE  II

Espaço de Estados

Exemplo 2:SoluçãoFazendo as devidas substituições a0 = 0,5 ; a1 = 1 ; a2 = 2 ; b0 = 1 ; b1 = 2; b2 =1

na forma matricial das equações de estado, temos:

)(

)(

)(

121)(

)(

1

0

0

)(

)(

)(

215,0

100

010

)1(

)1(

)1(

3

2

1

3

2

1

3

2

1

kx

kx

kx

ky

ku

kx

kx

kx

kx

kx

kx

Page 16: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Como obter a função de transferência de um sistema dado que o sistema está descrito em espaço de estados?

Uma maneira de obter a função de transferência do sistema a partir das equações de estado é tomar a transformada Z dessas equações de estado e eliminar X(z).

Page 17: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Sendo a equação de estados dada por:

Tomando a transformada Z dessa equação acima e considerando condições iniciais nulas, temos:

)()()1( kukk BAxx

)()(

)()()(

)()()(

)()()0()(

zUz

zUzz

zUzz

zUzz

BXAzI

BAXzX

BAXzX

BAXzxzX

Page 18: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Solucionando a equação anterior para X(z), obtemos:

Sabendo que a saída do sistema é modelada em espaço de estados por:

)()( 1 zUz - BAzIX

)()()( kukky DCx

Page 19: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Aplicando a transformada Z na equação de saída, obtêm-se:

Substituindo o valor de X(z) na equação acima resulta:

)()()( zUzzY DCX

)(]][[)(

)()(][)(1

1

zUzY

zUzUzY-

-

DBA-zIC

DBA-zIC

)()( 1 zUz - BAzIX

Page 20: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Assim, a função de transferência baseada nas equações de estado é dada por:

]][[)()(

)( 1 DBA-zIC -zGzU

zY

Page 21: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Exemplo 3: Seja um sistema descrito pelas seguintes

equações de estado:

Qual a função de transferência desse sistema?

)(11)(

)(5,0

5,0)(

35,045,0

55,035,1)1(

kky

kkk

x

uxx

Page 22: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Exemplo 3:SoluçãoCalculamos primeiramente a parcela [zI-A]-1:

35,155,0

45,035,0)(

72,07,1

35,045,0

55,035,1][

0

0

10

01

2

z

zAzIcof

zzAzI

z

zAzI

z

zzII

35,145,0

55,035,0

72,07,1

1][

)(][

21

1

z

z

zzAzI

AzI

AzIcofAzI

T

Page 23: CONTROLE  II

Espaço de Estados (Seção 2.10)

Exemplo 3:SoluçãoComo D = 0, BA-zIC 1][)( -zG

72,07,1

1)(

9,05,0

1,05,011

72,07,1

1)(

5,0

5,0

35,145,0

05535,011

72,07,1

1)(

][)(

2

2

2

1

zzzG

z

z

zzzG

z

z

zzzG

zG - BA-zIC