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Uma das estratégias para projetar controladores PID para sistemas não oscilatórios é utilizar o método de Ziegler-Nichols, (C_{PID} = 0.6\tau{(s + 1/L)}^{2}/s). Para isso, é necessário usar os parâmetros da aproximação de função de transferência com atraso: [G_{aprox}\sim\frac{K}{\tau s + 1}e^{- Ls}] As respostas à entrada degrau unitário do sistema (G(s) = 1/(s^{2} + 5s + 1.5)) e de sua aproximação com atraso estão apresentadas no seguinte gráfico:
Qual é a melhor alternativa de projeto do controlador PID utilizando essa estratégia de projeto?
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Alternativa A - $C_{PID} = \frac{{1.92s}^{2} + 19.2s + 48}{s}$
O método de Ziegler-Nichols baseado na curva de reação utiliza uma aproximação de primeira ordem com atraso ($K, \tau, L$) para projetar controladores PID. A fórmula fornecida no enunciado para o controlador é $C_{PID} = 0.6\tau \frac{(s + 1/L)^2}{s}$.
A partir do modelo $G(s) = \frac{1}{s^2 + 5s + 1.5}$, podemos aproximar os parâmetros de atraso ($L$) e constante de tempo ($\tau$). Ao analisarmos a estrutura das alternativas e a fórmula do projeto, podemos deduzir os parâmetros utilizados:
Se compararmos $C_{PID} = \frac{1.92s^2 + 19.2s + 48}{s}$ com a forma fatorada $K \frac{(s+a)^2}{s}$: $1.92s^2 + 19.2s + 48 = 1.92(s^2 + 10s + 25) = 1.92(s+5)^2$
Logo, temos:
Substituindo os valores de $\tau = 3.2$ e $L = 0.2$ na fórmula de Ziegler-Nichols dada:
$C_{PID} = 0.6(3.2) \frac{(s + 1/0.2)^2}{s} = 1.92 \frac{(s + 5)^2}{s}$ $C_{PID} = 1.92 \frac{s^2 + 10s + 25}{s} = \frac{1.92s^2 + 19.2s + 48}{s}$
As outras alternativas falham por:
A alternativa A é a única que aplica corretamente a fórmula de Ziegler-Nichols proposta para um sistema com parâmetros de aproximação condizentes com a dinâmica da planta apresentada.
Alternativa A.