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Sistema de segunda ordem: ultrapassagem, tempo de pico e de acomodação

Resposta ao degrau de um sistema de segunda ordem a partir de ωn e ζ, dos coeficientes de s² + a·s + b ou de uma especificação de ultrapassagem e tempo de acomodação: polos, classificação, Mp, tempos de pico, subida e acomodação.

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Dados disponíveis

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Forma padrão: s² + a·s + b, com ωn = √b e ζ = a ÷ (2√b).

Entre 0,01% e 99,99%. Maior ultrapassagem exige ζ menor.

Resultado

O resultado aparece aqui.

De ωn e ζ à resposta ao degrau

Mp = 100·e^(−πζ/√(1−ζ²)); tp = π ÷ (ωn√(1−ζ²)); ts(2%) = 4 ÷ (ζωn); ts(5%) = 3 ÷ (ζωn); tr ≈ (2,16ζ + 0,6) ÷ ωn; polos = −ζωn ± ωn√(ζ²−1)

A resposta ao degrau de um sistema de segunda ordem depende de dois números: a frequência natural ωn e o amortecimento ζ. Com ζ menor que 1, a resposta oscila e ultrapassa o valor final; com ζ a partir de 1, ela sobe sem oscilar. A ferramenta calcula os polos, a ultrapassagem e os tempos característicos e também parte de s² + a·s + b ou de uma especificação.

Exemplo de sistema subamortecido

Exemplo resolvido pela própria calculadora
CampoValor
Dados disponíveisTenho ωn e ζ
Frequência natural ωn (rad/s)2
Coeficiente de amortecimento ζ0,5
Polo 1: parte real-1
Polo 1: parte imaginária1,7321
Ultrapassagem Mp (%)16,3
Tempo de pico tp (s)1,814
Tempo de subida tr, aproximado (s)0,84
Tempo de acomodação, critério de 2% (s)4
Tempo de acomodação, critério de 5% (s)3
ClassificaçãoSubamortecido (ζ entre 0 e 1)

Cuidados com a aproximação

  • As fórmulas de ultrapassagem e de tempo de pico valem para ζ entre 0 e 1; fora disso o valor sai como zero.
  • O tempo de subida é uma aproximação empírica e perde exatidão perto de ζ = 0 e acima de 1.
  • O tempo de acomodação usa a envoltória exponencial (4/σ para 2%, 3/σ para 5%), uma aproximação.
  • Zeros e polos adicionais do sistema real mudam a resposta: os resultados valem só para o modelo de segunda ordem puro.

Nota: Cálculo de controle para o modelo padrão de segunda ordem, com os valores digitados.

Perguntas frequentes

Como calcular a ultrapassagem de um sistema de segunda ordem?

Com ωn = 2 rad/s e ζ = 0,5, a ultrapassagem é 16,3% e o tempo de pico, 1,814 s.

Qual o tempo de acomodação?

Pelo critério de 2%, são 4 s; pelo de 5%, 3 s.

O que acontece com ζ maior que 1?

No quarto cenário, o sistema é Superamortecido (ζ maior que 1): os polos são reais, em -1,9098 e -13,0902, e não há ultrapassagem.