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1Formule e metodi
Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici
Stabilità
tutte le radici del polinomio caratteristico nel semipiano sinistro
tabella di Routh, elemento s¹ di un cubico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Radici nel semipiano destro
numero di cambi di segno nella prima colonna
Cubico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabile quando tutti gli a > 0 e a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Equazione caratteristica
1 + K·G(s) = 0
Asintoti
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Punti di diramazione e di confluenza
dK/ds = 0
Condizione sul modulo
K = 1/|G(s)|
Angolo di partenza
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Metodo
Scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso: il denominatore di 1 + K·G(s) = 0, sviluppato.
Inserisci i coefficienti alternati nelle prime due righe della tabella di Routh e costruisci le righe rimanenti.
Conta i cambi di segno nella prima colonna: ciascuno è un polo nel semipiano destro. Con K nella tabella, richiedi che ogni elemento della prima colonna resti positivo.
Per un luogo delle radici, segna poli e zeri, i tratti dell’asse reale, gli asintoti dal centro e i punti di diramazione dove dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| per il guadagno in un punto.
Errore a regime e controllo PID
Tipo del sistema
numero di poli di G(s) in s = 0
Costanti d’errore
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Gradino A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Controllore PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Obiettivo del secondo ordine
s² + 2ζωns + ωn²
Sovraelongazione e tempi
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Metodo
Conta i poli dell’anello aperto C(s)·G(s) in s = 0: è il tipo del sistema.
Calcola la costante d’errore corrispondente all’ingresso: Kp per un gradino, Kv per una rampa, Ka per una parabola.
Applica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, oppure risolvi per il guadagno che ti serve.
Per una specifica di smorzamento o di velocità, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e uguaglialo a s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Esercizi
1.Trasformate di LaplaceMedia
Trova f(t) per F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6)) con i fratti semplici, e calcola f(0,3).
F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Trasformate di LaplaceDifficile
Un sistema obbedisce a y″ + 5y′ + 4y = 6·u(t). Parte da fermo (y(0) = 0, y′(0) = 0) e l’ingresso è un gradino u(t) = 5 per t ≥ 0. Usa la trasformata di Laplace per trovare l’uscita y(0,4).
Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 2(s + 3)/((s + 2)(s + 5)). Al riferimento viene applicato un gradino di ampiezza 10. Trova l’errore a regime ess.
G(s) = 2(s + 3)/((s + 2)(s + 5))R = 10
ess =
4.Schemi a blocchiDifficile
Il processo G(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)) è in un anello di retroazione negativa unitaria. Al massimo guadagno stabile l’anello oscilla. Trova la frequenza di oscillazione ω in rad/s.
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 75/(s² + 12s + 75) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.
G(s) = 75/(s² + 12s + 75)
%OS = %
6.Risposta al gradinoDifficile
Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = K/(s(s + 12)). Trova il guadagno K che dà una risposta al gradino con sovraelongazione del 25 %.
G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 25 %
K =
7.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciMedia
L’anello nello schema funziona con K = 32 e L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)). Di quale fattore m si può aumentare il guadagno prima che l’anello chiuso diventi instabile?
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))K = 32
m =
8.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radiciDifficile
Il luogo delle radici di L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6)) lascia l’asse reale tra s = 0 e s = −6, gira in cerchio e raggiunge di nuovo l’asse reale a sinistra dello zero. Trova il punto di confluenza si.
L(s) = K(s + 9)/(s(s + 6))
si =
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
Un anello a retroazione unitaria con G(s) = K/(s(s + 10)) deve seguire la rampa r(t) = 5t con un errore a regime di 0,5. Trova il guadagno K.
G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 5tess = 0,5
K =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
Un controllore proporzionale K = 5 comanda il sistema G(s) = 4/(s(s + 6)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 4/(s(s + 6))K = 5
ts = s
11.Diagrammi di Bode e marginiMedia
Trova il modulo esatto |G(jω)| di G(s) = 390/((s + 3)(s + 10)) a ω = 5 rad/s, in dB.
G(s) = 390/((s + 3)(s + 10))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 52/(s(s + 3)(s + 7)). Trova il margine di guadagno GM in dB.
L(s) = 52/(s(s + 3)(s + 7))
GM = dB
3Soluzioni
1.Trasformate di Laplace
Risposta: f(0.3) = 0,6848
Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Trasforma l’equazione
Y(s) = 30/(s(s + 1)(s + 4))
Fratti semplici
A = 30/(1·4) = 7,5
B = 30/((−1)·3) = −10
C = 30/((−4)·(−3)) = 2,5
Uscite
y(t) = 7,5 − 10·e−t + 2,5·e−4t
y(0,4) = 1,302
Risposta
y(0,4) = 1,302
3.Schemi a blocchi
Risposta: ess = 6,25
Algebra degli schemi a blocchi: i blocchi in serie si moltiplicano (G₁·G₂), i blocchi in parallelo si sommano (G₁ + G₂), e un anello con cammino diretto G e cammino di retroazione H si riduce a T = G/(1 + G·H) per la retroazione negativa e a G/(1 − G·H) per la retroazione positiva. Riduci prima gli anelli interni, poi procedi verso l’esterno. I poli ad anello chiuso sono le radici dell’equazione caratteristica 1 + G(s)H(s) = 0. Per un anello stabile, un ingresso a gradino di ampiezza A dà l’uscita a regime A·T(0); con retroazione unitaria l’errore a regime a un gradino è A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Costante di errore di posizione
Kₚ = G(0) = 2·3/(2·5) = 0,6
Errore a regime
ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,6) = 6,25
Risposta
ess = 6,25
4.Schemi a blocchi
Risposta: ω = 3,162 rad/s
Algebra degli schemi a blocchi: i blocchi in serie si moltiplicano (G₁·G₂), i blocchi in parallelo si sommano (G₁ + G₂), e un anello con cammino diretto G e cammino di retroazione H si riduce a T = G/(1 + G·H) per la retroazione negativa e a G/(1 − G·H) per la retroazione positiva. Riduci prima gli anelli interni, poi procedi verso l’esterno. I poli ad anello chiuso sono le radici dell’equazione caratteristica 1 + G(s)H(s) = 0. Per un anello stabile, un ingresso a gradino di ampiezza A dà l’uscita a regime A·T(0); con retroazione unitaria l’errore a regime a un gradino è A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Equazione caratteristica
s³ + 7s² + 10s + K = 0
Tabella di Routh
s³ | 1 10
s² | 7 K
s¹ | (7·10 − K)/7
s⁰ | K
Limite di stabilità
Tutti gli elementi della prima colonna devono essere positivi.
Kmax = 7·10 = 70
Frequenza di oscillazione
7·(jω)² + 70 = 0 → ω² = 70/7 = 10
ω = 3,162 rad/s
Risposta
ω = 3,162 rad/s
5.Risposta al gradino
Risposta: %OS = 4,888 %
Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).
Confronta con la forma standard
Il denominatore deve coincidere con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 75 → ωₙ = 8,66 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,66) = 0,6928
Risultato
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,018 = 4,888 %
Risposta
%OS = 4,888 %
6.Risposta al gradino
Risposta: K = 220,9
Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).
Funzione di trasferimento ad anello chiuso
T(s) = K/(s² + 12s + K)
Rapporto di smorzamento dalla sovraelongazione
ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037
Guadagno
ωₙ = 12/(2ζ) = 14,86 rad/s
K = ωₙ² = 220,9
Risposta
K = 220,9
7.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici
Risposta: m = 5
Criterio di Routh–Hurwitz: un sistema lineare è stabile quando tutte le radici del suo polinomio caratteristico stanno nel semipiano sinistro del piano s. Scrivi i coefficienti alternati nelle prime due righe della tabella di Routh. Ogni elemento di una nuova riga si ricava dalle due righe sopra; per un polinomio cubico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ l’elemento della riga s¹ è b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Il numero di cambi di segno nella prima colonna è uguale al numero di radici nel semipiano destro. Con un guadagno K nei coefficienti, ogni elemento della prima colonna deve restare positivo: il guadagno che annulla l’elemento della riga s¹ è il limite di stabilità, e la riga s² dà poi la frequenza dell’oscillazione sostenuta.
Tabella di Routh
s³ + 10s² + 16s + K = 0
s³: 1, 16
s²: 10, K
s¹: (10·16 − K)/10
s⁰: K
Guadagno stabile massimo
Kmax = 10·16 = 160
Fattore
m = 160/32 = 5
Risposta
m = 5
Questo fattore è il margine di guadagno come rapporto: 13,98 dB.
8.Stabilità: Routh–Hurwitz e luogo delle radici
Risposta: si = −14,2
Luogo delle radici: al variare del guadagno K da 0 a ∞, i poli ad anello chiuso, cioè le radici di 1 + K·G(s) = 0, si spostano dai poli ad anello aperto agli zeri ad anello aperto o all’infinito. Un punto dell’asse reale appartiene al luogo quando il numero di poli e zeri reali alla sua destra è dispari. Gli n − m rami che vanno all’infinito seguono asintoti con angoli (2q + 1)·180°/(n − m), che partono dal centro σₐ = (Σ poli − Σ zeri)/(n − m). I rami lasciano o raggiungono l’asse reale dove dK/ds = 0. La condizione sull’angolo ∠G(s) = 180° fissa la forma, e la condizione sul modulo K = 1/|G(s)| dà il guadagno in ogni punto del luogo.
Guadagno lungo l’asse reale
K(s) = −(s² + 6s)/(s + 9)
Punti stazionari
Deriva con la regola del quoziente e poni il numeratore uguale a zero.
(2s + 6)(s + 9) − (s² + 6s) = s² + 18s + 54 = 0
s = −9 ± √27 = −3,804, −14,2
Punto di confluenza
si = −14,2
Risposta
si = −14,2
Tra i due punti il luogo è una circonferenza con centro nello zero e raggio √27 = 5,196.
9.Errore a regime e controllo PID
Risposta: K = 100
Errore a regime: in un anello a retroazione unitaria con funzione di trasferimento ad anello aperto G(s) l’errore è E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e per il teorema del valore finale ess = lims→0 s·E(s). Il tipo del sistema è il numero di poli di G(s) in s = 0. Le costanti d’errore sono Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), tutte per s → 0. Un gradino di ampiezza A dà ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t dà A/Kv e una parabola A·t²/2 dà A/Ka. Un anello di tipo 0 segue un gradino con un errore finito, un anello di tipo 1 lo segue esattamente e segue una rampa con un errore finito.
Costante di velocità richiesta
Kv = A/ess = 5/0,5 = 10
Guadagno
K = 10·Kv = 100
Risposta
K = 100
Un guadagno elevato rende questo anello molto poco smorzato: ζ = 0,5. Questo conflitto è il motivo per cui si usano i compensatori.
10.Errore a regime e controllo PID
Risposta: ts = 1,333 s
Controllo P, PI e PID: il controllore C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agisce sull’errore. Un guadagno proporzionale rende l’anello più veloce e riduce l’errore di un sistema di tipo 0, ma non lo elimina mai. Il termine integrale aggiunge un polo in s = 0: il tipo del sistema sale di uno e un gradino viene seguito senza errore. Il termine derivativo aggiunge smorzamento. Per scegliere i guadagni, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e confrontalo con s² + 2ζωns + ωn². Poi %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomio caratteristico
s(s + 6) + 5·4 = s² + 6s + 20
ωₙ e ζ
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 6/(2·4,472) = 0,6708
Tempo di assestamento
ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Risposta
ts = 1,333 s
Qui il tempo di assestamento non dipende da K: aumentare K fa solo oscillare più velocemente la risposta.
11.Diagrammi di Bode e margini
Risposta: |G(jω)| = 15,54 dB
Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.
Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.