1 comportamento de sistemas não-lineares 2015 prof. marcus v. americano da costa fº...
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1
Comportamento de Comportamento de Sistemas Não-Sistemas Não-
lineareslineares
20152015
Prof. Marcus V. Americano da Prof. Marcus V. Americano da Costa FºCosta Fº
[email protected]@ufba.br
Universidade Federal da Bahia – UFBAEng. de Controle e Automação
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1 único Equilíbrio (estável ou instável)
1. Sistemas Não-Lineares
• Sistemas Lineares
• Sistemas Não Lineares
- Múltiplos Equilíbrios- Oscilações periódicas (ciclos limites)- Atratores estranhos (“caóticos”)
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3
• Pêndulo simples
212
21
)( xbxsenaxxx
1. Sistemas Não-Lineares
0)( senab
21 ; xx
θ
L
0b
Diagrama de Espaço de Estados
1x
2x
0b2x
1x
equilíbrios
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• Controle Pneumático do pêndulo simples invertido
1. Sistemas Não-Lineares
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•Controle com Rotação do pêndulo simples invertido
1. Sistemas Não-Lineares
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6
• Oscilador de Van der Pol
22112
21
1 xxxx
xx
0122
2
xdtdxx
dtxd
1. Sistemas Não-Lineares
xxxx 21 ;
1x
2x)(1 tx)(2 tx
][segt
Equilíbrio (foco instável)
Ciclo limite Estável
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• Atrator de Rossler
32113
32
21
5.01 xxxxxxxxx
1. Sistemas Não-Lineares
2x
1x
3x
t
2x
3x
1x
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2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
Exemplo: Equação logística1) Equilíbrios 00 2 xxx
1010
2
1
e
e
xxx
2) Estabilidade dos equilíbrios (classificação)
xdxxdfxf 21)()('
)1(11)1(1
01)0(0
xxdxdfx
xxxdxdfx
Para
Para
X(t)
1
0t
)(2 xfxxx
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• Linearização: se df(x)/dx ≠0 então as soluções do sistema não linear nas proximidades (LOCALMENTE) do equilíbrio, comportam-se como as do sistema Linear
xxdxxdfx
xxdxxdfxfx
xfx
)(
)()(
)(
Desprezar termos de ordem superior
Desenvolvimento serie de Taylor
Aproximação linear
0)(
dxxdf Aproximação linear
válida
2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
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• Exemplo
xdxxdf
xxxxfx
2)(
00;)( 2
?0)0(0 xdxdfx Para
1)(
0
0
txxtxSolução
x
0t
Equilíbrio
t0=1/x0
Não podemos estudar o equilíbrio a partir do sistema linearizado
0)0(
dxdfComo
2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
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• Exemplo3221212
211 2
xxxxxx
xxx
0
02322121
21
xxxxx
xx 1,0,1,0,0,0, 21 xx
2
212
1221 311
22),(
xxxxx
xxDfMatriz da linearização (Jacobiano)
Equilíbrios
22
2202
)1,0(
22
2002
)1,0(
10
1100
)0,0(
2
1
2
1
2
1
Df
Df
Df Não posso concluir nada
Nó assintoticamente estável
Ponto de sela (instável)
2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
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• Caso Geral
• Jacobiano
xxxDfx
xxxDfxfxxxfx n
)(
)()(;)(
n
nnn
n
n
xf
xf
xf
xf
xf
xf
xf
xf
xf
xDf
21
2
2
2
1
2
1
2
1
1
1
)(
Sistema linearizado
2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
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2. Teorema de Hartman-Grobman
Na vizinhança de um ponto de equilíbrio hiperbólico, um sistema não linear de dimensão ‘n’ apresenta um comportamento qualitativamente equivalente ao do sistema linear correspondente.
A estabilidade de um ponto de equilíbrio hiperbólico é preservada quando se lineariza o sistema em torno desse ponto, de modo que o retrato de fases, na sua vizinhança, é topologicamente orbitalmente equivalente ao retrato de fases do sistema linear associado. Dois retratos de fases são topologicamente orbitalmente equivalentes quando um é uma versão distorcida do outro.
Se o ponto de equilíbrio é não-hiperbólico, então a linearização não permite predizer sua estabilidade.
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2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
Tarefa 1: determinar os equilíbrios do seguinte sistema e classificá-lo segundo a sua estabilidade
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2. Análise qualitativa de sistemas dinâmicos
Tarefa 2: estudar a estabilidade da equação de Van der Pol
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