Função de transferência

Função de transferência é a representação matemática da relação entre a entrada e a saída de um sistema físico.

A função de transferência normalmente é empregada na análise de circuitos eletrônicos analógicos de entrada única e saída única, por exemplo. É utilizada principalmente em processamento de sinais, teoria da comunicação, teoria de controle e análise de circuitos. O termo é frequentemente utilizado para se referir exclusivamente a sistemas lineares invariantes no tempo. A maior parte dos sistemas reais possuem características de entrada/saída não-lineares, mas diversos sistemas, quando operados dentro de parâmetros nominais, têm um comportamento que é tão próximo de um comportamento linear que a teoria de sistemas lineares invariantes no tempo é uma representação aceitável do comportamento de sua entrada e saída.

Visão geral

Representação de um sistema genérico com uma entrada e uma saída.

Um sistema tem como função processar um conjunto de dados ou informação na entrada e o modificar gerando um novo conjunto de dados na saída. Exemplos clássicos de sistemas são circuitos elétricos e sistemas mecânicos massa-mola.

Considerando um sistema linear invariante no tempo e casual, a função de transferência relaciona os sinais de entrada com os de saídas através da transformada de Laplace.

Definição

A função de transferência é definida como a razão entre a transformada de Laplace da saída e a transformada de Laplace da entrada de um dado sistema quando as condições iniciais são nulas. Isto é:

$H(s)=\frac{Y(s)}{X(s)}=\frac{ℒ\{y(t)\}}{ℒ\{x(t)\}}$

Onde, $H(s)$ é a função de transferência, $Y(s)$ a transformada de Laplace do sinal de saída e $X(s)$ a transformada de Laplace do sinal de entrada.

A função de transferência pode ser interpretada como a resposta impulso, denotado por h(t), de um sistema linear invariante no tempo e inicialmente nulo:

$H(s)=ℒ\{h(t)\}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}h(t)e^{-st}dt$

Em um circuito elétrico, por exemplo, a função de transferência pode representar a relação entre a tensão de um sinal aplicado na entrada com a tensão de saída do circuito.

$H(s)=\frac{Vo(s)}{Vi(s)}$

Exemplo I

Utilizando o método operacional de transformada de Laplace, encontra-se a função de transferência para a tensão Eo, sobre o capacitor C1, no domínio de frequência para o circuito da figura abaixo:

Circuito elétrico no domínio do tempo.

Para encontrar a função de transferência para a tensão sobre o capacitor C2, primeiramente faz-se a transformação do circuito do domínio para o domínio de frequência, para isso, o capacitor (C no domínio tempo) vira 1/sC no domínio frequência, o indutor (L no domínio tempo) vira sL no domínio frequência, o resistor (R no domínio tempo) permanece R no domínio frequência, e as tensões no formato f(t) (no domínio tempo) viram F(s) no domínio frequência. O circuito completamente no domínio frequência é mostrado na figura abaixo:

Circuito elétrico no domínio frequência.

Como a tensão de saída, Eo(s) depende da variável de controle, V(s), primeiramente deve-se utilizar divisor de tensão para achar a função de transferência da variável de controle V na parte esquerda do circuito, encontrando-se a seguinte expressão para V(s):

$V(s)=\frac{Ei(s)/(s\cdot C)}{R+sL+1/(s\cdot C)}$

Para deixar o denominador na forma harmônica, faz-se a multiplicação por (s/L) no numerador e no denominador da expressão encontrada para V(s), deixando a expressão da seguinte forma:

$V(s)=\frac{Ei(s)/(L\cdot C)}{s^2+R/L+1/(L\cdot C)}$

Como a função de transferência é definida como a razão entra a transformada de Laplace da saída e a transformada de Laplace da entrada de um dado sistema, é definido H1(s) como sendo a razão da transformada de Laplace da saída parcial do circuito, V(s), e a transformada de laplace da entrada do circuito, Ei(s). Assim, a H(s) para a parte esquerda do circuito é definida como segue:

$H(s)=\frac{V(s)}{Ei(s)}=\frac{1/(L\cdot C)}{s^2+R/L+1/(L\cdot C)}$

Agora, tendo a função de transferência para V(s), calcula-se Eo(s) na segunda parte do circuito, também via divisor de tensão. O cálculo de Eo(s) via divisor de tensão segue a seguir, notando a polaridade invertida de KV(s):

$Eo(s)=\frac{-KV(s)\cdot 1/(s\cdot C)}{1,25\cdot R+1/(s\cdot C)}$

Para deixar o denominador na forma harmônica, faz-se a multiplicação por (s/L) no numerador e no denominador da expressão encontrada para Eo(s), deixando a mesma da seguinte forma:

$Eo(s)=\frac{-KV(s)}{1,25\cdot s\cdot R\cdot C+1}$

Como já se sabe a expressão para V(s), a mesma é substituída na expressão de Eo(s), com o propósito de encontrar a função de transferência para a saída Eo(s) em função da entrada Ei(s). A expressão para a função de transferência para Eo(s) segue a seguir:

$H(s)=\frac{Eo(s)}{Ei(s)}=\frac{-K\frac{1/(L\cdot C)}{s^2+R/L+1/(L\cdot C)}}{1,25\cdot s\cdot R\cdot C+1}$

Tendo a função de transferência montada para a saída Eo(s), para qualquer entrada Ei(s) colocada nesse circuito, tem-se a expressão para a saída Eo(s), desde que multiplique Ei(s) por o H(s) encontrado.

Sistema linear diferencial

Considerando um sistema linear diferencial de equação:

$\frac{d^{n}y}{d{t}^n}+a_1\frac{d^{n-1}y}{d{t}^{n-1}}+...+a_{n-1}\frac{dy}{dt}+a_{n}y(t)=b_0\frac{d^{m}x}{d{t}^m}+b_1\frac{d^{m-1}x}{d{t}^{m-1}}+...+b_{m-1}\frac{dx}{dt}+b_{m}x(t)$

onde todos os coeficientes $a_i$ e $b_i$ são constantes e $n\ge m$. Denotando o operador diferencial $D=\frac{d}{dt}$ e definindo os polinômios: $Q(D)=D^n+a_1{D}^{n-1}+...+a_{n-1}D+a_n$

$P(D)=b_0{D}^m+b_1{D}^{m-1}+...+b_{m-1}D+b_m$

Então, a equação do sistema pode ser denotada por: $Q(D)y(t)=P(D)y(t)$

Supondo que as condições iniciais são nulas, $y(0^{-})=...=y(0^{n-1})=x(0^{-})=...=x(0^{m-1})=0$

e usando a propriedade da derivada para aplicar a transformada de Laplace nos dois lados da equação, temos:

$(s^n+a_1{s}^{n-1}+...+a_{n-1}s+a_n)Y(s)=(b_0{s}^m+b_1{s}^{m-1}+...+b_{m-1}s+b_m)X(s)$

$Y(s)=\frac{b_0{s}^m+b_1{s}^{m-1}+...+b_{m-1}s+b_m}{s^n+a_1{s}^{n-1}+...+a_{n-1}s+a_n}X(s)=\frac{P(s)}{Q(s)}X(S)$

Logo, $H(s)=\frac{P(s)}{Q(s)}$

A fração racional entre os polinômios é denominada de função de transferência do sistema diferencial linear especificado anteriormente, que relaciona uma saída y(t) com a entrada x(t).

Integral de convolução

O sinal de saída de um sistema pode ser escrito como o produto da função transferência pelo sinal de entrada, isto é:

$Y(s)=H(s)X(s)$

Aplicando a transformada inversa de Laplace e o teorema da convolução:

${ℒ}^{-1}\{Y(s)\}={ℒ}^{-1}\{X(s)H(s)\}$

$y(t)=x(t)*h(t)$

$y(t)=\underset{0}{\overset{t}{\int }}x(\tau )h(t-\tau )d\tau$

Onde $h(t)$ é a resposta impulso do sistema, e $x(t)$ é uma função causal, ou seja, $x(t)=0$ para $t<0$.

A integral de convolução pode ser muito útil para a análises de sistemas em casos que o método da transformada é muito complicado.

Invariância no tempo

Para um sinal deslocado de $a$ segundos, temos:

$ℒ\{x(t-a)u(t-a)\}=e^{-as}X(s)$

Assim, a saída se torna:

$Y(s)=H(s)X(s)e^{-as}$

Se $y(t)={ℒ}^{-1}\{H(s)X(s)\}$ ,concluímos que:

$y(t-a)u(t-a)={ℒ}^{-1}\{H(s)X(s)e^{-as}\}$

Portanto, um deslocamento de $a$ segundos no sinal de entrada do sistema resulta em um mesmo deslocamento de $a$ segundos no sinal de saída. Por isso, o sistema é chamado de invariante no tempo.

Ver também

• Engenharia elétrica
• Engenharia de controle e automação
• Controle em malha aberta

Ligações externas

• Transfer function model in Mathematica