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Disciplina Sistemas de Controle e Modelagem
(Estatísticas Básica, Conceito de Transformada de Laplace, para Sistemas Dinâmicos)
Prof. Wagner Santos C. de [email protected]
Curso: Análise e Desenvolvimento de Sistemas
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Conceito de Média
A função MÉDIA mede a tendência central, que éo local do centro de um grupo de números em umadistribuição estatística.
2
z
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Média de tendência central
3
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Calculo da Média Aritmética
A média aritmética é uma das formas de obter umvalor intermediário entre vários valores.
∑=
=n
iix
nx
1
1
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Conceito de Somatória
Um somatório é o operador matemático da soma determos de uma sequência. Usualmente, um somatório(ou somatória) é denotado pela letra grega sigma.
5
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Exemplo calculo Somatória
Seja x um conjunto com os elementos x = {5,3,2}.
6
x = 5 + 3 + 2; s = 10
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Exemplo em octave
Seja x = [5,3,2];s = sum(x);
7
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Exemplo calculo Média
8
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Função mean()Calcula a média aritmética passados os valores.
Sintaxe:
<varm> = mean(<lista de valores>);
Exemplo x = [3,4,5];xm = mean(x);
Resultado xm = 4
9
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Conceito de Variância
10
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Conceito de variância
Vem a ser uma medida da sua dispersãoestatística, indicando "o quão longe" emgeral os seus valores se encontramdo valor esperado.
11
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Objetivo do calculo da variância
• Quanto maior for a variância, maisdistantes da média estarão os valores.
• Quanto menor for a variância, maispróximos os valores estarão da média.
12
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Algoritmo do calculo da Variância
1 - Pega-se o valor da amostra e subtrai-se do valor damédia elevando esse resultado ao quadrado.
2 – Em seguida soma-se o resultado da operação (1) coma repetição da operação com seus novos valores.
3 – Quando as etapas um e dois estiverem concluídasdivide-se o valor encontrado, por um número equivalenteao total da amostra.
13
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Calculo da VariânciaExemplo:
Supondo que uma amostra de população possui os valores:
x = {3,4,6,2} ; Média = 3.75
Variância:
14
1
)()()()( 24
23
22
21
−−+−+−+−=
N
xxxxv
µµµµ
9167.214
)75.32()75.36()75.34()75.33( 2222
=−
−+−+−+−=v
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Equação da variância
15
∑=
−−
=n
iix
Nv
1
2)(1
1 µ
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Função var()Calculo da variância no Octave passados os valores.
Sintaxe:
<varm> = var(<lista de valores>);
Exemplo x = [3,4,5];v = var(x);
Resultado = 1
16
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Conceito de Desvio Padrão
17
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Desvio Padrão
Mostra o quanto de variação ou "dispersão"existe em relação à média (ou valor esperado). Umbaixo desvio padrão indica que os dados tendem aestar próximos da média; um desvio padrão altoindica que os dados estão espalhados por uma gamade valores.
18
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Equação Variância
19
∑=
−−
=n
iix
Nv
1
22 )(1
1 µ
O desvio padrão vem a ser a raizquadrada da variância.
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20
Amostral
Desvio Padrão
∑=
−−
=n
iix
Nv
1
2)(1
1 µ
∑=
−=n
iix
Nv
1
2)(1 µ
Populacional
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Demonstração do CalculoDesvio Padrão
x = [3 7 5];
21
2)13(
)55()57()53( 222
=−
−+−+−=dv
(3 - 5)2 = 4(7 - 5)2 = 4(5 - 5)2 = 0 +
-----8
8/2 = 4 => 24 =
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Calculo Desvio Padrão (Prática)
Sintaxe:<vam> = std(<lista de valores>);
Exemplo:
x = [3 7 5];dv = std(x);
22
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Problema Proposto
23
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Solução
24
Média = 6,60 ± 2,07
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Conceito de Transformada de
Laplace
25
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Transformada de Laplace
Método, que leva o nome domatemático francês Pierre SimonLaplace, foi desenvolvido pelofísico inglês Oliver Heaviside,nascido um século depois deLaplace.
26
Pierre Simon Laplace.
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Aplicação
A vantagem mais interessante desta transformada integral éque a integração e a derivação tornam-se multiplicações edivisões, da mesma maneira que o logaritmo transforma amultiplicação em adição.
27
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Objetivo Geral
O método de transformada de Laplace é um método muitoútil para resolver equações diferenciais ordinárias (EDO).Com a transformada de Laplace, pode-se converter muitasfunções comuns, tais como, senoidais e oscilaçõesamortecidas, em equações algébricas de uma variávelcomplexa “S”. As equações diferenciais também podemser transformadas em equações algébricas através detransformada de Laplace.
28
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Objetivo Especifico
Para sistemas de controle:
A transformada de Laplace tem como objetivo de capturaruma função no domínio do tempo uma f(t) e leva-la para odomínio da frequência F(s).
29
F(s)f(t)
Tempo Frequência
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Equação da Transformada de
Laplace
30
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Sabe-se que a função exponencial quando integrada,repete-se a própria função aplicando o limite na variávelque se deseja integrar.
Exemplo:
31
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Ferramenta L L L L {f(t)}
Porque usar transformada de Laplace:
Sistemas físicos :
32
Equações Diferenciais
Polinômios
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Exemplo derivada de função composta
33
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Conceito de equações Diferencial
Definição equação diferencial, quando sua incógnitaencontra-se como uma derivada de uma função, ou seja,para solucionar a equação precisa-se encontrar outrafunção.
34
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Exemplo de equaçãodiferencial
35
Substituindo (1) em (2):
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Objetivo da L{f(t)}
36
Solução
Equações Lineares
Equações Diferenciais
Solução
Tempo Frequência
L{f(t)}
L-1 {f(t)}
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Representação da transformada de Laplace
37
Para todo s > 0Onde s = frequência; equivale a 1/t
F(s)f(t)
Tempo Frequência
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Conceito L{f(t)} Aplicado a Sistema de Controle
A transformada de Laplace, pode ser usadapara estudar as características da respostacompleta de um sistema realimentado,incluindo a resposta transitória, isto é, otempo de resposta para uma condição inicialou para um sinal aplicado subitamente.
38
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Salto unitário
39
1
f(t) = 1; t > 0
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Exemplo PráticoSeja f(t) = 1; t > 0
40
0
1
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Problema Proposto
Encontrar a função que retrata ocomponente para a resposta transitóriaem um sistema de controle onde f(t) = 5.
41
L{f(t)} 5 { } =1
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Discussão L{f(t)}
Exemplo de um Sistema onde afunção f(t) = 1; onde a funçãode transferência é igual F(s) =1/s.
42
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Sistema de Controle
43
Sinal de entrada
Função de transferência do
sistemaAmplificação Gráfico de
resposta
Temporizador
Declive da Rampa
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Usando uma exponencial
44
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Exemplo Prático
(1) f(t) = e-t , t ≥ 0,
45
Substituindo (1) em (2)
∞
0
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Continuação
46
0
L{f(t)} = F(s)
0 1
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Tabela base Transformada de Laplace
L{f(t)} = F(s)
47
f(t) F(s)
1 1/s
t
sen at
cos at
L-1 {F(s)} = f(t)
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Problema Proposto
48
Solução:
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Problema Proposto
49
Solução:
2
��+
4
�� + 16
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Problema Proposto
50
Solução:
cos