• Nenhum resultado encontrado

Análise de estabilidade de sistemas com atrasos variantes

3.2 Sistemas de controle

3.2.6 Análise de estabilidade de sistemas com atrasos variantes

Considere o sistema em malha fechada com uma entrada e uma saída representado nas Figuras 3.1 (a), (b) e (c). Onde: P (s) e P (z) são as funções de transferência do processo, respectiva- mente, no tempo contínuo e no tempo discreto; C(s) e C(z) são as funções de transferência do controlador, respectivamente, no tempo contínuo e no tempo discreto; ∆ indica o atraso de controle variante no tempo; A/D representa um conversor analógico digital que converte uma amostra do sinal de saída do processo a cada período h e D/A um conversor digital analógico com segurador de ordem zero (ZOH). Além disso, o sistema em malha fechada é estável para ∆ = 0. A estabilidade do sistema sob um atraso de controle ∆ limitado e variante de modo aleatório é determinado pelos teoremas a seguir. As provas desses teoremas são apresentadas em Kao e Lincoln (2004).

P(s)

C(z)

A/Dh D/AZOH

D

S

-

P(s)

C(s)

D

S

-

P(z)

C(z)

D

S

-

(a)

(b)

(c)

Figura 3.1: Diagramas de blocos de uma malha de controle com atraso ∆ e: (a) processo e controlador contínuos no tempo; (b) processo e controlador discretos no tempo e (c) processo contínuo no tempo e controlador discreto no tempo.

Teorema 1 (Caso Contínuo no Tempo) O sistema em malha fechada representado na Figura 3.1(a) é estavél para qualquer atraso variante no tempo definido por

∆(v) = v(t − δ(t)), 0 ≤ δ(t) ≤ δmax (3.17) se, P (jω)C(jω) 1 + P (jω)C(jω) < 1 δmaxω , ∀ ω ∈ [0, ∞]. (3.18)

Teorema 2 (Caso Discreto no Tempo) O sistema em malha fechada representado na Figura 3.1(b) é estavél para qualquer atraso variante no tempo definido por

∆(v) = v(n − δ(n)), δ(n) ∈ {0,1,...,N} (3.19) se, P (ejω)C(e) 1 + P (ejω)C(e) < 1 N|ejω− 1|, ∀ ω ∈ [0, ∞]. (3.20)

Teorema 3 (Caso Contínuo e Discreto no Tempo) O sistema em malha fechada representado na Figura 3.1(c) é estável para qualquer atraso variante no tempo definido por

∆(v) = v(t − δ(t)), 0 ≤ δ(t) ≤ Nh (3.21)

ondeN é um número real, se

Palias(ω)C(eiω)

1 + PZOH(eiω)C(eiω)

< 1 ˜ N|eiω − 1|, ∀ ω ∈ [0, ∞], (3.22) onde: ˜N = p⌊N⌋2 + 2⌊N⌋g + g4;g = N − ⌊N⌋; P

ZOH(z) é a discretização ZOH de P (s)

utilizando um segurador de ordem zero, e

Palias(ω) = v u u t ∞ X k=−∞ P  j(ω + 2πk)1 h  2 (3.23)

Observe que o valor máximo de ˜N deve ser obtido tal que a condição na Equação 3.22 do Teorema 3 seja satisfeita. Por outro lado, veja que o limite admissível para o atraso variável δ(t) está em função de N. Para facilitar a determinação do valor de N a partir de ˜N , Santos (2008) derivou a Equação 3.24. Assim, o maior valor de atraso variante no tempo (Nh) pode ser obtido.

N = N˜

2+ ⌊ ˜N ⌋2 + ⌊ ˜N ⌋

2⌊ ˜N⌋ + 1 (3.24)

A partir do Teorema 3 apresentado na seção 3.2.6, Cervin et al. (2004) definiram os con- ceitos da margem de jitter e margem de fase aparente. Esses conceitos serão apresentados a seguir.

Margem de jitter

A margem de jitter é definida como o maior valor de atraso variável em função de um atraso constante e conhecido, que pode ser tolerado sem que a malha de controle torne-se instável. O atraso variável (δ(t)) pode ser dividido em duas partes: uma parte constante (L ≥ 0), e uma parte variante no tempo chamada de jitter (J(t) ≥ 0), de acordo com a Figura 3.2. Então, do ponto de vista da análise de estabilidade, o processo P (s) pode ser representado pela sua versão atrasada P (s)e−sL. Dessa forma, o critério de estabilidade indicado na Equação 3.22 deve ser

calculado a partir da versão atrasada do processo, e a estabilidade é garantida para um atraso ¯

δ(t) ∈ [L, L + Nh]. O sistema com a versão atrasada de P (s) é representado pela Figura 3.3.

kh (k+1)h t

L J(t)

d(t)

Figura 3.2: Esquema do atraso de controle dividido nas partes constante (L) e variante no tempo (J(t)). P(s)e-sL C(z) A/Dh D/AZOH (t) d S -

Figura 3.3: Diagrama de blocos modificado da malha de um sistema de controle com atraso ¯

δ(t).

De acordo com essas considerações, a seguinte definição para margem de jitter foi formu- lada:

Definição 4 (Margem de Jitter) Considerando o sistema representado na Figura 3.3, a mar- gem de jitter é definida como o maior número Jm(L) para o qual a estabilidade em malha

fechada é garantida para qualquer atraso variante no tempo ¯δ(t) ∈ [L, L + Jm(L)].

A partir da Definição 4, é dito que uma malha de controle é estável se, para todo ciclo de operação, J(t) ≤ Jm(L), onde J(t) = δ(t) − L. Em resumo, o critério de estabilidade usando

a margem de jitter pode ser descrito pelos seguintes passos:

1. Determine o valor mínimo de L e o valor máximo de J(t) para um determinado sistema. 2. Determine o valor máximo de ˜N que satisfaz a Equação 3.22, onde P (s) é substituído

por P (s)e−sL.

3. Calcule o valor de N por meio da Equação 3.24. 4. Calcule o valor da margem de jitter Jm(L) = Nh.

5. Verifique se o sistema é estável, ou seja, se max{J(t)} ≤ Jm(L).

Margem de fase aparente

Na teoria de controle clássica, é comum usar a margem de fase como medida de desempenho e robustez. No entanto, a margem de fase é definida apenas para sistemas sem jitter. Para contornar esse problema, Cervin et al. (2004) generalizaram o conceito estendendo a definição da margem de atraso para sistemas com atraso constante e jitter.

Definição 5 (Margem de Atraso para Sistemas com Atraso Constante e Jitter) Considere o sistema representado na Figura 3.3, assumindo um atraso constanteL e um jitter J(t), a mar- gem de atraso é definida como o maior número ˆLmpara o qual a estabilidade em malha fechada

é garantida para algum atraso variante no tempo no intervalo[L + ˆLm, L + ˆLm+ J(t)].

Expressada em termos da função margem de jitter (Jm(L)), a margem de atraso é determi-

nada pelo menor valor de ˆLmque resolve a seguinte equação:

Jm(L + ˆLm) = J(t) (3.25)

A partir da relação entre margem de fase e margem de atraso (Equação 3.16) para sistemas de controle sem jitter, uma generalização da margem de fase, denominada de margem de fase aparente, foi definida.

Definição 6 (Margem de Fase Aparente) Considere o sistema representado na Figura 3.3, assumindo que o atraso constante L e o jitter J(t) são conhecidos, a margem de fase apa- rente é definida como o maior número ϕˆm para o qual a estabilidade em malha fechada é

garantida para algumjitter ¯r ∈ [L + ˆϕm/ωc, L + ˆϕm/ωc + J(t)], onde ωc é a frequência de

corte do sistema considerando apenas o atraso constanteL.

A margem de fase aparente pode ser interpretada como o menor valor de atraso de fase em ωc, que reduz a margem de jitter ao valor do atraso variável, ou seja, Jm = J(t). Em outras

palavras, expressa-se o quanto de atraso de fase o sistema suporta de forma que o critério de estabilidade seja respeitado, e pode ser indicado por:

Jm(L + ˆϕm/ωc) = J(t) (3.26)

A estabilidade não pode ser garantida para alguns valores de L e J(t) se ˆϕm ≤ 0. Mas,

se ˆϕm > 0, a estabilidade é garantida. Um fator de degradação de desempenho (F d) pode ser

obtido pela razão entre a margem de fase aparente ( ˆϕm) e a margem de fase (ϕm), conforme

indicado pela Equação 3.27.

F d = ϕˆm ϕm

(3.27) A partir dessa equação, as seguintes observações podem ser feitas:

• Para F d > 0, o sistema é estável.

• Para F d → 1, o atraso variável causa pouca degradação ao sistema. • Para F d < 0, o sistema é instável.

Atribuição de deadline

Usando o conceito da margem de jitter, é possível atribuir um deadline relativo D (Equação 3.28) para o atraso no ciclo de operação de uma malha de controle que garante a estabilidade.

D = L + Jm(L) (3.28)

De modo semelhante, é possível atribuir um deadline relativo que, além da estabilidade, garante uma margem de fase aparente. Dado um atraso constante L e uma margem de fase aparente desejável ˆϕm < ωc(Lm − L), o nível de desempenho é garantido para a seguinte

atribuição de deadline relativo:

3.2.7

Procedimentos para projeto de sistemas de controle com atrasos va-