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Rubens Junqueira Magalhães Afonso and Jackson Paul Matsuura

Neste curso você aprenderá a obter a resposta em frequência de um sistema Linear e Invariante no Tempo (LIT) e a usá-la para projetar controladores que atinjam requisitos de reposta transitória e em regime estacionário. Você aprenderá a obter o diagrama de Bode a partir de dados de amplitude e fase de entradas e saídas senoidais. Também será capaz de esboçar o diagrama de Bode de um sistema dada a sua função de transferência. Outrossim, será capaz de representar a resposta em frequência na carta de Nichols-Black.

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Neste curso você aprenderá a obter a resposta em frequência de um sistema Linear e Invariante no Tempo (LIT) e a usá-la para projetar controladores que atinjam requisitos de reposta transitória e em regime estacionário. Você aprenderá a obter o diagrama de Bode a partir de dados de amplitude e fase de entradas e saídas senoidais. Também será capaz de esboçar o diagrama de Bode de um sistema dada a sua função de transferência. Outrossim, será capaz de representar a resposta em frequência na carta de Nichols-Black.

A fim de se determinar a estabilidade do sistema, você aprenderá a aplicar o critério de Nyquist, que faz uso da resposta em frequência em malha aberta e permite determinar se um sistema será estável em malha fechada.

Ao fim do curso, você será capaz de projetar controladores com dinâmica, isto é, com polos e zeros, portanto mais complexos do que um simples ganho de realimentação. Essa flexibilidade permitirá que você projete controladores para satisfazer simultaneamente requisitos de sobressinal e tempo de resposta que seriam impossíveis de atender com um simples ganho. Também poderá com isso alterar as características da resposta em regime estacionário, aumentando as constantes de erro sem alterar (muito) a resposta transitória.

Por fim, você aprenderá a projetar controladores do tipo PD, PI e PID, que estão entre os mais disseminados em aplicações de engenharia de controle.

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What's inside

Syllabus

Resposta em Frequência e Diagrama de Bode
Neste módulo você verá que a resposta de sistemas lineares e invariantes no tempo a uma uma entrada senoidal é também uma saída senoidal, com mesma frequência, decorrido certo tempo. Esse fato será usado para motivar a obtenção da resposta em frequência de um sistema, isto é, relacionar a amplitude e fase da senoide de saída com características do sistema linear e com a frequência das senoides. Em seguida, essa resposta será usada para projeto de sistemas de controle com um ganho proporcional de modo a atender requisitos de sobressinal.
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Carta de Nichols-Black. Especificação de desempenho no domínio da frequência.
Você aprenderá a representar a resposta em frequência graficamente de outra maneira: a carta de Nichols-Black. Você será capaz de relacionar a amplitude do pico de ressonância da resposta em frequência de malha com o fator de amortecimento do sistema em malha fechada. Também será capaz de relacionar a frequência de cruzamento de 0 dB em malha aberta com a frequência natural em malha fechada. Assim, poderá projetar controladores proporcionais para atingir sobressinal desejado ou tempo de resposta requerido, apenas a partir da resposta em frequência de malha aberta do sistema.
Diagrama de Nyquist. Atraso.
Você aprenderá a representar a resposta em frequência na forma polar e a usar essa representação para avaliar a estabilidade do sistema em malha fechada. Para isso, usará o chamado critério de Nyquist, que permite que você determine quantos polos de malha fechada o sistema terá no semiplano direito. Você também aprenderá a computar o efeito do retardo de tempo na resposta em frequência do sistema e a estimar os efeitos que isso terá na resposta temporal.
Projeto de controladores no domínio da frequência.
Neste módulo você aprenderá a projetar controladores mais complexos, envolvendo zero e polo, de maneira a poder manipular tanto a margem de fase quanto a frequência de cruzamento de 0 dB, sendo capaz de atender requisitos de sobressinal e de tempo de resposta. Também será capaz de alterar o ganho em baixas frequências, mudando as constantes de erro do sistema, sendo capaz de atender requisitos em regime estacionário, sem comprometer a resposta transitória do sistema.
Controladores PD, PI e PID no domínio da frequência.
Após esse último módulo, você estará familiarizado com o projeto dos controladores mais comuns no dia-a-dia do engenheiro: PI, PD e PID. Será capaz de determinar qual deles é necessário para atender os requisitos de desempenho desejados e a projetá-los de acordo. Concluindo, ao término do curso você será capaz de projetar controladores dinâmicos para atender requisitos de sobressinal, tempo de resposta e erro em regime estacionário.

Good to know

Know what's good
, what to watch for
, and possible dealbreakers
Ensina conceitos de controle que são fundamentais para os engenheiros de controle
Aborda técnicas de projeto e análise de sistemas de controle que são amplamente utilizadas na prática profissional
Oferece uma base sólida para alunos de graduação e pós-graduação em engenharia de controle, automação e áreas relacionadas
Fornece exemplos práticos e estudos de caso para ilustrar os conceitos e técnicas abordados
Requer conhecimento prévio em sistemas lineares e teoria do controle

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Activities

Be better prepared before your course. Deepen your understanding during and after it. Supplement your coursework and achieve mastery of the topics covered in Controle Usando a Resposta em Frequência with these activities:
Organize course materials
Helps you stay organized and prepared for the course by ensuring you have all the necessary materials readily accessible.
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  • Gather all course materials
  • Create a physical or digital folder
  • Organize materials by topic or module
  • Label each file with relevant information
Review basic control theory
Solidifies your foundation in control theory, ensuring you have a strong base for the concepts covered in this course.
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  • Review concepts of feedback control
  • Refresh your understanding of transfer functions
  • Practice converting between different transfer function representations
Join a study group
Provides an opportunity to engage with peers, exchange ideas, and deepen your understanding of course material through collaborative learning.
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  • Connect with other students enrolled in the course
  • Schedule regular meetings to discuss course topics
  • Share knowledge and insights with fellow students
Five other activities
Expand to see all activities and additional details
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Practice bode and root locus plotting
Enhance your understanding of system stability and frequency response by practicing plotting and analyzing Bode and Root Locus Diagrams.
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  • Use online tools or MATLAB to plot Bode plots
  • Plot Bode plots for various transfer functions
  • Analyze the Bode plots to determine system characteristics
  • Plot Root Locus plots and analyze them
Compile a toolbox of frequency response analysis tools
Empowers you with a collection of resources to perform frequency response analysis efficiently, enhancing your problem-solving capabilities.
Show steps
  • Gather MATLAB scripts or Python libraries for frequency response analysis
  • Create a document or repository to organize the tools
  • Test and verify the functionality of each tool
Explore advanced topics in frequency response analysis
Extends your learning beyond the course by exploring advanced topics in frequency response analysis, expanding your knowledge and enhancing your professional skills.
Show steps
  • Identify areas where you want to expand your knowledge
  • Search for online tutorials or courses covering these topics
  • Follow the tutorials and complete the exercises
Design a controller using frequency response methods
Provides hands-on experience in applying frequency response methods to design and implement controllers, deepening your understanding of control system design.
Show steps
  • Select a system to control
  • Develop a mathematical model of the system
  • Obtain the frequency response of the system
  • Design a controller using frequency response methods
  • Implement the controller and evaluate its performance
Build a physical system and implement a controller
Through a hands-on project, you will gain practical experience in the entire control system design process, from modeling to implementation and evaluation.
Show steps
  • Choose a physical system to control
  • Design and build the physical system
  • Model the physical system
  • Design and implement a controller
  • Test the controller and evaluate its performance

Career center

Learners who complete Controle Usando a Resposta em Frequência will develop knowledge and skills that may be useful to these careers:
Control Systems Engineer
Control Systems Engineers are responsible for designing and implementing control systems in a variety of industries, including manufacturing. The 'Controle Usando a Resposta em Frequência' course offered by the Instituto Tecnológico de Aeronáutica would be particularly beneficial to aspiring Control Systems Engineers as it would provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems using frequency response methods. Engineers who work in this field should expect to use the concepts from this course in their day-to-day jobs.
Robotics Engineer
Robotics Engineers design, build, and maintain robots for use in a variety of applications, including manufacturing, healthcare, and space exploration. Robotics Engineers who take the 'Controle Usando a Resposta em Frequência' course will gain a deeper understanding of the control systems that are used to control robots. This course will give them the skills and knowledge necessary to design and implement control systems that will enable robots to perform tasks with greater precision and accuracy.
Electrical Engineer
Electrical Engineers design, develop, test, and maintain electrical systems and components. Those working in control systems may find the 'Controle Usando a Resposta em Frequência' course particularly useful as it provides a deep dive into the frequency-based analysis and design of control systems. The skills and knowledge gained from this course will allow Electrical Engineers to develop control systems with improved performance and stability.
Mechanical Engineer
Mechanical Engineers design, develop, and test mechanical systems and components. This course could also be useful for Mechanical Engineers who work in the field of control systems. The course will introduce a range of frequency-based techniques for analyzing and designing control systems, which are essential for ensuring the stability and performance of mechanical systems.
Aerospace Engineer
Aerospace Engineers design, develop, test, and maintain aircraft, spacecraft, and other aerospace systems. This course would be of particular interest to Aerospace Engineers who work in the field of flight control. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design flight control systems using frequency response methods.
Automotive Engineer
Automotive Engineers design, develop, test, and maintain automobiles and other vehicles. This course could be useful for Automotive Engineers who specialize in the design of vehicle control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design vehicle control systems using frequency response methods.
Systems Engineer
Systems Engineers are responsible for designing, developing, and integrating complex systems. This course may be useful for Systems Engineers who work in the field of control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems using frequency response methods.
Biomedical Engineer
Biomedical Engineers design, develop, and test medical devices and systems. This course may be useful for Biomedical Engineers who specialize in the design of medical control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design medical control systems using frequency response methods.
Software Engineer
Software Engineers design, develop, and maintain software systems. The course may be of interest to Software Engineers who work in the field of control systems software. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems software using frequency response methods.
Operations Research Analyst
Operations Research Analysts use mathematical and analytical techniques to solve problems in a variety of industries, including manufacturing and healthcare. This course may be useful for Operations Research Analysts who work in the field of control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems using frequency response methods.
Data Scientist
Data Scientists use data to solve problems and make predictions in a variety of industries, including finance and healthcare. This course may be useful for Data Scientists who work in the field of control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems using frequency response methods.
Quality Control Inspector
Quality Control Inspectors ensure that products meet quality standards. This course may be useful for Quality Control Inspectors who work in the field of manufacturing. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to analyze and design control systems using frequency response methods.
Technical Writer
Technical Writers create documentation for a variety of products and services. This course may be useful for Technical Writers who specialize in writing documentation for control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to understand and explain control systems using frequency response methods.
Sales Engineer
Sales Engineers sell technical products and services. This course may be useful for Sales Engineers who specialize in selling control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to understand and explain control systems using frequency response methods.
Product Manager
Product Managers are responsible for the development and marketing of products. This course may be useful for Product Managers who specialize in control systems. The course will provide them with the skills and knowledge necessary to understand and explain control systems using frequency response methods.

Reading list

We've selected 30 books that we think will supplement your learning. Use these to develop background knowledge, enrich your coursework, and gain a deeper understanding of the topics covered in Controle Usando a Resposta em Frequência.
Este livro fornece uma base sólida em teoria de controle, cobrindo tópicos relevantes para este curso, como resposta em frequência, projeto de controladores e estabilidade.
Este livro é um texto abrangente sobre controle de sistemas lineares, cobrindo tópicos como modelagem de sistemas, análise de resposta em frequência e projeto de controladores. Ele é uma referência valiosa para estudantes e profissionais de engenharia de controle.
Este livro oferece uma abordagem introdutória e prática à teoria de controle, com foco no projeto e análise de sistemas de feedback. Ele complementa o curso, fornecendo uma base mais ampla em princípios de controle.
Este livro aprofunda os conceitos de resposta em frequência e projeto de controladores, cobrindo tópicos avançados como projeto de controladores robustos e métodos de espaço de estados.
Este livro é um texto introdutório sobre controle de sistemas lineares, escrito por três autores renomados na área. Ele cobre os tópicos essenciais do controle, com ênfase em aplicações práticas.
Este livro é um texto introdutório abrangente sobre controle de sistemas lineares. Ele cobre uma ampla gama de tópicos, incluindo modelagem de sistemas, análise de resposta em frequência e projeto de controladores.
Este livro é um texto introdutório sobre controle de sistemas lineares, com ênfase no uso do software MATLAB. Ele cobre os tópicos essenciais do controle, com exemplos e exercícios práticos.
Este livro é um texto clássico sobre controle de sistemas lineares. Ele fornece uma abordagem prática para o projeto e análise de sistemas de controle.
Este livro fornece uma abordagem prática ao controle de processos, cobrindo tópicos relevantes como análise dinâmica, projeto de controladores e controle de processos químicos.
Este livro especializado aborda os aspectos de modelagem, projeto e simulação de sistemas de controle de processos. Ele fornece insights sobre técnicas avançadas que podem ser úteis para estudantes que desejam se aprofundar na área.
Este livro é um texto introdutório sobre dinâmica de sistemas. Ele fornece uma abordagem prática para a modelagem e análise de sistemas dinâmicos, incluindo sistemas de controle.
Provides a comprehensive introduction to robust control design using MATLAB. It valuable resource for students and practitioners who want to learn more about this topic.
Este livro fornece uma abordagem moderna à teoria de controle linear, cobrindo conceitos avançados como controle robusto e otimização.
Provides a comprehensive overview of control theory and its applications. It valuable resource for both students and practitioners.
Provides a comprehensive overview of control systems. It valuable resource for both students and practitioners.
Este livro é um texto avançado sobre teoria de controle. Ele cobre tópicos avançados como controle robusto, controle não linear e controle ótimo.
Este livro é um texto abrangente sobre controle de sistemas não lineares. Ele cobre uma ampla gama de tópicos, incluindo estabilidade, projeto de controladores e controle robusto.
Este livro se concentra no controle digital de sistemas, complementando o curso ao fornecer insights sobre o projeto e a implementação de controladores digitais.
Este livro é um texto introdutório sobre controle ótimo. Ele cobre os tópicos essenciais do controle ótimo, com ênfase em aplicações práticas.
Este livro abrangente aborda os fundamentos do controle estocástico, que é essencial para projetar sistemas que podem lidar com incertezas e ruído. Ele complementa o curso fornecendo uma compreensão mais profunda desses conceitos avançados.
Provides a comprehensive overview of advanced control systems. It valuable resource for students and practitioners who want to learn more about this topic.
Este livro é um texto abrangente sobre projeto de sistemas de controle. Ele cobre uma ampla gama de tópicos, incluindo modelagem de sistemas, análise de resposta em frequência e projeto de controladores.
Provides a comprehensive overview of nonlinear control systems. It valuable resource for students and practitioners who want to learn more about this topic.
Provides a comprehensive overview of robust and adaptive control. It valuable resource for students and practitioners who want to learn more about this topic.
Este livro é um texto clássico sobre controle PID. Ele fornece uma abordagem prática para o projeto e ajuste de controladores PID.
Este livro é um texto introdutório sobre controle preditivo de modelos. Ele cobre os tópicos essenciais do controle preditivo de modelos, com ênfase em aplicações práticas.
Provides a comprehensive overview of control systems engineering. It valuable resource for both students and practitioners.
Este livro é um texto introdutório sobre sistemas de controle. Ele cobre os tópicos essenciais dos sistemas de controle, com ênfase em aplicações práticas.

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