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Sistema de controle para uma planta estável em malha aberta, cujo modelo

ATRASO DE TRANSPORTE

Exemplo 5.1. Sistema de controle para uma planta estável em malha aberta, cujo modelo

de primeira ordem representa um sistema de tanque de aquecimento (NORMEY-RICO; CAMACHO, 2007, pág. 287), sendo dado por

P(s) = 1

2s + 1e

4s

.

A discretização desse modelo, fazendo-se Ts= 0.2, leva a

P(z) = 0.095z

1

1 − 0.905z1z −20.

O algoritmo GPC foi sintonizado com os mesmos parâmetros definidos por Nor- mey-Rico e Camacho (2007), ou seja, Nu = Ny=15 e λ = 1.

O algoritmo LQG foi sintonizado com Q = I, R = 1, Rw = 1 e Rv = 1.

O polinômio-T, foi ajustado com polo α = 0.85, para ambos GPC-T e LQG-T, a levando a

T(z−1) = 1 − 1.7z−1+ 0.72z−2. (5.60)

Para este exemplo, considera-se uma simulação onde se inclui uma perturbação de entrada igual a 0, 1 em t = 40 s e uma perturbação de saída igual a 0, 1 em t = 26 s.

Todas as simulações consideram que há um erro de modelagem quanto ao atraso igual a 10%, ou seja, os controladores são projetados para a planta nominal, no entanto, a planta real exibe um atraso de transporte efetivo 10% maior.

A Figura 46a mostra a resposta em frequência do sistema controlado, considerando uma incerteza de 10% em relação ao atraso. A partir dos gráficos mostrados, pode-se per- ceber que, para o polinômio-T dado pela equação (5.60), o GPC-T é mais robusto quanto ao atraso. Apesar disso, observando-se a resposta temporal da Figura 46b, percebe-se que o LQG-T é mais rápido quanto à rejeição a perturbações, embora apresente comporta- mento mais oscilatório.

Figura 46 – Análise do sistema estável do exemplo 5.1. (a) Robustez quanto ao atraso para α = 0, 85.

10−3 10−2 10−1 100 101 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 frequência (rad/s) magnitude (dB) δP δPLQG-T δPGPC-T Fonte: Autor.

(b) Resposta ao degrau considerando-se α = 0, 85 e 10% de incerteza em relação ao atraso. 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 Saída amplitude 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 Sinal de controle amplitude tempo (s) ref LQG−T GPC−T Fonte: Autor.

A Figura 48 mostra o que ocorre com a resposta temporal quando se faz α → 1. O algoritmo GPC-T aparenta tender à instabilidade (na verdade acomoda muito lentamente) enquanto o LQG-T torna a resposta levemente mais lenta do que a observada quando se faz α = 0, 85, mas não apresenta mudanças significativas na resposta dinâmica ou no rejeição à perturbação.

Completando a análise, ao se ajustar o polo em α = 0, 7, a fim de tornar a resposta do algoritmo GPC-T mais rápida, percebe-se então, pela Figura 49a que, neste caso, o algoritmo LQG-T passa a ser mais robusto em relação ao atraso do o GPC-T. Percebe-se ainda, a partir da resposta temporal mostrada na Figura 49b, que o controlador GPC-T passa a apresentar uma resposta mais oscilatória que a resposta temporal do controlador LQG-T.

O ajuste α = 0, 7 leva ambos os controladores a apresentarem desempenho seme- lhante quanto ao rejeição a perturbações em baixas frequências. Entretanto, o polinômio-T para o algoritmo LQG não leva em consideração o integrador, já que possui a mesma or-

5.2. Preditor de compensação explícita modificado: um preditor-observador para o controle ótimo 133

Figura 47 – Análise do sistema estável do exemplo 5.1.

Figura 48 – Resposta ao degrau considerando-se α = 0, 99 e 10% de incerteza em relação ao atraso. 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 Saída amplitude 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 Sinal de controle amplitude tempo (s) ref LQG−T GPC−T Fonte: Autor.

dem de A(z1) e não ∆A(z1), como é o caso do algoritmo GPC. Neste caso, a fim de se

obter uma análise comparativa mais ampla, decidiu-se verificar também o comportamento em altas frequências, onde se inclui ruído aditivo branco na saída do sistema controlado, em t = 70 s. Assim, a Tabela 8 mostra os índices de desempenho de entrada (TV) e saída (LDR), que são aqueles apresentados por Skogestad (2003), e podem ser tomados em rela- ção ao seguimento de referência (SR - Setpoint Reference), à perturbação de carga (LDR - Load Disturbance Rejection) ou à rejeição a ruído (NR - Noise Rejection). Percebe-se que tanto o seguimento de referência quanto o rejeição à perturbação de carga tem índices mais reduzidos no algoritmo LQG-T indicando assim, maior robustez em relação às bai- xas frequências. Entretanto o rejeição a ruído é menor no algoritmo GPC-T, o que pode ser compreendido observando-se o gráfico de robustez. O gráfico de δP para ambos os controladores é na verdade o inverso função de transferência em malha fechada, portanto, percebe-se que o algoritmo GPC-T atenua mais as altas frequências do que o algoritmo LQG-T.

Tabela 8 – Índices de desempenho do sistema do exemplo 5.1, considerando-se α = 0, 7. Controlador SR LDRIAE NR SR LDRTV NR

GPC-T 6,23 0,61 1,31 4,68 0,31 1,54 LQG-T 6,05 0,56 1,35 2,73 0,16 6,28

Fonte: Autor.

De fato, a resposta temporal do controlador LQG-T varia pouco neste caso porque se trata de um sistema de primeira ordem e o posicionamento do polo do polinômio ocorre apenas no eixo real. Em sistemas de ordem mais elevada pode-se posicionar o polo do

Figura 49 – Análise do sistema estável do exemplo 5.1. (a) Robustez quanto ao atraso para α = 0, 7.

10−3 10−2 10−1 100 101 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 frequência (rad/s) magnitude (dB) δP δPLQG-T δPGPC-T Fonte: Autor.

(b) Resposta ao degrau considerando-se α = 0, 7 e 10% de incerteza em relação ao atraso. 0 20 40 60 80 100 0 0.5 1 1.5 Saída amplitude 0 20 40 60 80 100 0 0.5 1 1.5 2 Sinal de controle amplitude time (s) ref GPC−T LQG−T Fonte: Autor.

sistema sobre o plano complexo e, neste caso, as variações na resposta são mais sensíveis. Este caso é explorado no próximo exemplo.

Exemplo 5.2. Neste caso analisa-se o comportamento de posicionamento de polos do

polinômio-T para uma planta integradora em malha aberta, cujo modelo é dado por (NORMEY-RICO; CAMACHO, 2009):

P(s) = −0.1 s(5s + 1)e

5s. (5.61)

A discretização desse modelo, fazendo-se Ts= 0.1, leva a

P(z) = (−9, 9z

1

− 9, 87z2)105

1 − 1, 98z1+ 0, 9802z2 z −50.

Para este exemplo, optou-se por comparar os controladores LQG-T e LQG/LTR com o GPC, já que neste caso, por se tratar de uma planta de ordem maior que 1, percebe-se claramente o efeito ddo polinômio-T com polos complexos conjugados.

O algoritmo GPC-T foi sintonizado considerando-se Nu = 50, Ny = 50 e λ = 1. O polinômio-T tem polos localizados em ρ = 0.9802 ± ∠20o.

O algoritmo LQG-T tem Q = I, R = 1, Rw = 1 e Rv = 1. Porém, o polinômio-T tem polos complexos conjugados localizados em ρ = 0.9802 ± ∠1, 5o.

O algoritmo LQG/LTR tem Q = I, R = 1, Rv = 1 e Rw = q2BBT, onde q = 4. Para este exemplo, considera-se uma simulação onde se inclui uma perturbação de entrada igual a 0, 2 em t = 50 s.

A análise de robustez em relação ao atraso é apresentada na Figura 50a, onde se considera uma incerteza de 20% no valor do atraso puro. O resultado temporal quando

5.2. Preditor de compensação explícita modificado: um preditor-observador para o controle ótimo 135

não se considera a incerteza no atraso é mostrado na Figura 50b. A Figura 50c apresenta a resposta temporal quando se considera a incerteza de 20% no atraso.

Figura 50 – Análise do sistema integrador do exemplo 5.2. (a) Robustez quanto ao atraso.

10−3 10−2 10−1 100 101 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 frequência (rad/s) magnitude (dB)

Robustez para 20% de incerteza no atraso

δP δPLQG/LTR δPLQG-T δPGPC-T

Fonte: Autor.

(b) Resposta temporal sem incerteza no atraso. 0 20 40 60 80 100 0 0.5 1 1.5 Saída amplitude 0 20 40 60 80 100 −6 −4 −2 0 2 Sinal de controle amplitude time (s) ref LQG−T LQG/LTR GPC−T Fonte: Autor. (c) Resposta temporal com incerteza de 20%

no atraso. 0 50 100 150 200 0 0.5 1 1.5 Saída amplitude 0 50 100 150 200 −5 0 5 Sinal de controle amplitude tempo (s) ref LQG−T LQG/LTR GPC−T Fonte: Autor.

O resultado da Figura 50c comprova a análise gráfica da Figura 50a, já que o único algoritmo a ultrapassar a barreira de robustez correspondente a 20% do valor nominal do atraso é aquele relativo ao GPC-T.

Outro ponto importante a se observar diz respeito à escolha dos polos do polinômio- T, que assume o mesmo módulo ρ mas diferentes ângulos θ para o GPC-T e para o LQG-T. A escolha θ = 1, 5o para o algoritmo LQG-T deve-se ao fato de buscar uma resposta próxima àquela obtida para o algoritmo LQG/LTR quando se faz q = 4, no que diz respeito ao rejeição à perturbação de entrada. Baseado nisso, procurou-se posicionar o

ângulo θ, para o caso GPC-T, que mais acelerasse a resposta de modo a deixar o rejeição à perturbação semelhante ao rejeição dos controladores ótimos. Entretanto, percebe-se que para valores acima de θ = 20o já não se consegue acelerar a resposta. Além disso, neste ponto o algoritmo GPC-T já viola o critério de robustez quanto ao atraso, como se vê na Figura 50a.

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