Engenharia de Sistemas de Controle 6 - Edição

Engenharia de Sistemas de Controle 6 - Edição

(Parte 1 de 7)

Diagrama de Blocos

Parâmetros do Esquema

ParâmetroConfiguração 1Configuração 2Configuração 3

Parâmetros do Diagrama de Blocos

ParâmetroConfiguração 1Configuração 2Configuração 3

Observação: o leitor deve preencher as colunas Configuração 2 e Configuração 3 depois de completar os problemas de desafio do Estudo de Caso do controle de antena nos Capítulos 2 e 10, respectivamente.

À minha esposa, Ellen; filhos, Benjamin e Alan; e filha, Sharon, e suas famílias.

O autor e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

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Traduzido de CONTROL SYSTEMS ENGINEERING, SIXTH EDITION Copyright © 2011, 2006, 2003, 1996 by John Wiley & Sons, Inc. All Rights Reserved. This translation published under license. ISBN: 978-0470-54756-4

Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2012 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional

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Capa: © Jim Stroup, Virginia Tech

Nise, Norman S. Engenharia de sistemas de controle / Norman S. Nise; tradução e revisão técnica Jackson Paul Matsuura. - 6. ed. - [Reimpr.]. - Rio de Janeiro: LTC, 2013. il.; 28 cm

Tradução de: Control systems engineering, 6th ed. Apêndice Índice ISBN 978-85-216-2136-2

1. Controle automático. 2. Engenharia de sistemas. I. Título.

Introdução A História dos Sistemas de Controle Configurações de Sistemas

Objetivos de Análise e de Projeto O Processo de Projeto Projeto Assistido por Computador

O Engenheiro de Sistemas de Controle Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução

Revisão da Transformada de Laplace A Função de Transferência Funções de Transferência de Circuitos Elétricos

Funções de Transferência de Sistemas Mecânicos Translacionais Funções de Transferência de Sistemas Mecânicos Rotacionais Funções de Transferência para Sistemas com Engrenagens Funções de Transferência de Sistemas Eletromecânicos

Circuitos Elétricos Análogos Não Linearidades Linearização

Resumo Questões de Revisão Problemas

Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Algumas Observações

A Representação Geral no Espaço de Estados Aplicando a Representação no Espaço de Estados

Convertendo uma Função de Transferência para o Espaço de Estados Convertendo do Espaço de Estados para uma Função de Transferência

Linearização Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução

Polos, Zeros e a Resposta do Sistema Sistemas de Primeira Ordem Sistemas de Segunda Ordem: Introdução

O Sistema de Segunda Ordem Geral Sistemas de Segunda Ordem Subamortecidos Resposta do Sistema com Polos Adicionais

Resposta do Sistema com Zeros Efeitos de Não Linearidades sobre a Resposta no Domínio do Tempo Solução via Transformada de Laplace de Equações de Estado

Solução no Domínio do Tempo de Equações de Estado Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Diagramas de Blocos

Análise e Projeto de Sistemas com Realimentação Diagramas de Fluxo de Sinal Regra de Mason

Diagramas de Fluxo de Sinal de Equações de Estado Representações Alternativas no Espaço de Estados Transformações de Similaridade

Resumo Questões de Revisão Problemas

Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Critério de Routh-Hurwitz

Critério de Routh-Hurwitz: Casos Especiais

Critério de Routh-Hurwitz: Exemplos Adicionais Estabilidade no Espaço de Estados

Resumo Questões de Revisão Problemas

Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Erro em Regime Permanente para Sistemas com Realimentação Unitária

Constante de Erro Estático e Tipo do Sistema Especificações de Erro em Regime Permanente Erro em Regime Permanente para Perturbações

Erro em Regime Permanente para Sistema com Realimentação Não Unitária Sensibilidade Erro em Regime Permanente para Sistemas no Espaço de Estados

Resumo Questões de Revisão Problemas

Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Definindo o Lugar Geométrico das Raízes

Propriedades do Lugar Geométrico das Raízes Esboçando o Lugar Geométrico das Raízes Refinando o Esboço Um Exemplo

Projeto da Resposta Transitória através do Ajuste de Ganho Lugar Geométrico das Raízes Generalizado Lugar Geométrico das Raízes para Sistemas com Realimentação Positiva

Sensibilidade do Polo Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução

Melhorando o Erro em Regime Permanente via Compensação em Cascata Melhorando a Resposta Transitória via Compensação em Cascata Melhorando o Erro em Regime Permanente e a Resposta Transitória

Compensação de Realimentação

Realização Física da Compensação Resumo

Questões de Revisão Problemas Investigando em Laboratório Virtual

Bibliografia

Introdução Aproximações Assintóticas: Diagramas de Bode Introdução ao Critério de Nyquist

Esboçando o Diagrama de Nyquist Estabilidade via Diagrama de Nyquist Margem de Ganho e Margem de Fase via Diagrama de Nyquist

Estabilidade, Margem de Ganho e Margem de Fase via Diagramas de Bode

Relação entre a Resposta Transitória em Malha Fechada e a Resposta em Frequência em Malha Fechada

Relação entre as Respostas em Frequência em Malha Fechada e em Malha Aberta

Relação entre a Resposta Transitória em Malha Fechada e a Resposta em Frequência em Malha Aberta

Características do Erro em Regime Permanente a partir da Resposta em Frequência Sistemas com Atraso no Tempo

Obtendo Funções de Transferência Experimentalmente Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Resposta Transitória via Ajuste de Ganho

Compensação com Atraso de Fase Compensação com Avanço de Fase Compensação com Avanço e Atraso de Fase

Resumo Questões de Revisão Problemas

Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução Projeto de Controlador

Controlabilidade Abordagens Alternativas para o Projeto do Controlador Projeto de Observador

Observabilidade Abordagens Alternativas para Projeto de Observador

Projeto de Erro em Regime Permanente via Controle Integral Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Introdução

Modelando o Computador Digital A Transformada z Funções de Transferência

Redução de Diagrama de Blocos Estabilidade Erros em Regime Permanente

Resposta Transitória no Plano z Projeto de Ganho no Plano z Compensação em Cascata via Plano s

Implementando o Compensador Digital Resumo Questões de Revisão

Problemas Investigando em Laboratório Virtual Bibliografia

Apêndice A: Lista de Símbolos

Apêndice B: Tutorial do MATLAB

Introdução Exemplos MATLAB

Resumo dos Comandos Bibliografia

Apêndice C: Tutorial do Simulink do MATLAB

Introdução Usando o Simulink

Exemplos Resumo Bibliografia

Apêndice D: Tutorial do LabVIEW™

Introdução

Análise, Projeto e Simulação de Sistemas de Controle Utilizando o LabVIEW Exemplos de Análise e Projeto

Exemplos de Simulação Resumo

Bibliografia

Glossário Respostas para Problemas Selecionados Créditos Índice

Os Apêndices E, F, G, H, I, J, K, L e M, bem como os textos extras Solução dos Exercícios, Investigando em Laboratório Virtual, Toolbox de Engenharia de Sistemas de Controle (Control Systems Engineering Toolbox), encontram-se disponíveis em w.ltceditora.com.br.

Tutorial da Ferramenta de Interface Gráfica de Usuário (GUI) do MATLAB (Online)

Tutorial da Toolbox de Matemática Simbólica do MATLAB (Online)

Matrizes, Determinantes e Sistemas de Equações (Online)

Auxílio Computacional em Sistemas de Controle (Online)

Desenvolvimento de um Diagrama Esquemático para um Motor C (Online)

Dedução da Solução das Equações de Estado no Domínio do Tempo (Online)

Solução das Equações de Estado para t0 ≠ 0 (Online)

Dedução das Transformações de Similaridade (Online)

Regras do Lugar Geométrico das Raízes: Dedução (Online)

Solução dos Exercícios (Online)

Investigando em Laboratório Virtual (Online)

Toolbox de Engenharia de Sistemas de Controle (Control Systems Engineering Toolbox) (Online)

Material Suplementar

Este livro conta com materiais suplementares. O acesso é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em http://gen-io.grupogen.com.br.

Este livro introduz os estudantes à teoria e à prática da engenharia de sistemas de controle. O texto enfatiza a aplicabilidade do tema na análise e no projeto de sistemas com realimentação.

O estudo da engenharia de sistemas de controle é essencial para estudantes buscando formação em engenharia elétrica, mecânica, aeroespacial, biomédica ou química. Os sistemas de controle são encontrados em uma ampla variedade de aplicações nessas áreas, desde aviões e espaçonaves até robôs e sistemas de controle de processos.

Engenharia de Sistemas de Controle é uma obra adequada para estudantes de semestres finais de engenharia e aqueles que desejam dominar o assunto como autodidatas. O estudante que utilizar este texto deve ter concluído os cursos básicos típicos de primeiros semestres em física e matemática, incluindo equações diferenciais. O material sobre outros conhecimentos necessários, transformadas de Laplace e álgebra linear, por exemplo, está incorporado ao texto, seja ao longo das discussões apresentadas nos capítulos, seja separadamente nos apêndices ou, ainda, no site da LTC Editora. Esse material de revisão pode ser omitido sem perda de continuidade, caso o estudante não precise dele.

Características Principais As características principais desta sexta edição são:

Organização padronizada dos capítulos Explicações qualitativas e quantitativas Exemplos, Exercícios e Estudos de Caso ao longo de todo o texto Investigando em Laboratório Virtual Ilustrações em abundância Inúmeros problemas de fim de capítulo Ênfase no projeto Cobertura flexível

Ênfase na análise e no projeto assistidos por computador incluindo MATLAB®1 e

LabVIEW® 2

Ícones identificando os tópicos principais

Vamos considerar cada característica em mais detalhes.

Organização Padronizada dos Capítulos Cada capítulo começa com uma lista de resultados de aprendizagem, seguida de uma lista de resultados de aprendizagem do estudo de caso que estão relacionados com o desempenho específico do estudante na solução de um problema de estudo de caso prático, como um sistema de controle de posição de azimute de antena.

Os tópicos são então divididos em seções claramente numeradas e intituladas contendo explicações, exemplos e, quando apropriado, exercícios com respostas. Essas seções numeradas são seguidas por um ou mais estudos de caso, como será descrito em alguns parágrafos a seguir. Cada capítulo termina com um breve resumo, várias questões de revisão que requerem respostas curtas e um conjunto de problemas e experimentos.

Explicações Qualitativas e Quantitativas

As explicações são claras e completas e, quando apropriado, incluem uma breve revisão do conhecimento prévio necessário. Os tópicos são desenvolvidos com base uns nos outros e se apoiam mutuamente de uma forma lógica. Os fundamentos para novos conceitos e terminologia são cuidadosamente preparados de modo a evitar sobrecarregar o estudante e facilitar o estudo independente.

Embora as soluções quantitativas sejam obviamente importantes, uma compreensão qualitativa ou intuitiva dos problemas e métodos de solução é vital para permitir a perspicácia necessária para o desenvolvimento de projetos sólidos. Portanto, sempre que possível, novos conceitos são discutidos a partir de uma perspectiva qualitativa antes que a análise e o projeto quantitativos sejam abordados. Por exemplo, no Capítulo 8, o estudante pode simplesmente examinar o lugar geométrico das raízes e descrever qualitativamente as alterações que irão ocorrer na resposta transitória à medida que um parâmetro do sistema, como o ganho, é variado. Essa habilidade é desenvolvida com o auxílio de algumas equações simples do Capítulo 4.

Exemplos, Exercícios e Estudos de Caso

As explicações são ilustradas com clareza por meio de diversos Exemplos numerados e identificados ao longo de todo o texto. Quando apropriado, as seções são encerradas com Exercícios. Eles são exercícios de cálculo, a maioria com respostas, os quais testam a compreensão e fornecem retorno imediato. As soluções completas podem ser encontradas no site da LTC Editora.

Exemplos mais abrangentes, na forma de Estudos de Caso, podem ser encontrados após a última seção numerada de cada capítulo, com exceção do Capítulo 1. Esses estudos de caso são problemas de aplicação prática que demonstram os conceitos introduzidos no capítulo. Cada estudo de caso termina com um problema “Desafio”, sobre o qual os estudantes podem trabalhar a fim de testar sua compreensão sobre o assunto.

Um dos estudos de caso, um sistema de controle de posição de azimute de antena, é desenvolvido ao longo de todo o livro. A finalidade é ilustrar a aplicação de novos conhecimentos em cada capítulo ao mesmo sistema físico, destacando assim a continuidade do processo de projeto. Outro estudo de caso mais desafiador, envolvendo um Veículo Submersível Não Tripulado Independente, é desenvolvido ao longo de cinco capítulos.

Investigando em Laboratório Virtual

Experimentos computacionais utilizando MATLAB, Simulink®3 e a Control System Toolbox são encontrados ao final das seções de Problemas, designados pelo subtítulo Investigando em Laboratório Virtual. Um recurso novo nesta edição é o LabVIEW, o qual também é utilizado para experimentos dentro da seção Investigando em Laboratório Virtual dos capítulos. Os experimentos permitem que o leitor verifique os conceitos cobertos no capítulo através de simulação. O leitor também pode alterar os parâmetros e realizar explorações do tipo “o que aconteceria se...” para ganhar uma maior compreensão do efeito de alterações de parâmetros e configuração. Os experimentos são apresentados com declaração de Objetivos e Requisitos Mínimos de Programas, bem como com tarefas e questões para antes, durante e após a execução dos experimentos. Dessa forma, os experimentos podem ser utilizados em um curso com laboratório que acompanha as aulas teóricas.

Ilustrações em Abundância

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