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Note per Studenti Criterio di Nyquist - poli sull'asse immaginario e guadagno variabile

Criterio di Nyquist - poli sull'asse immaginario e guadagno variabile

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La versione ristretta del criterio (Criterio di Nyquist - versione ristretta e criterio ridottoSia $G$ razionale propria, di cui si conosce il numero $n_{G+}$ di poli con $\mathrm{Re}>0$, e il diagramma di Nyquist completo. Sotto C1 (il diagramma resta al finito, cioè $G$ non ha poli sull'asse immaginario) e C2 (il diagramma non passa per il punto critico $-1+j0$) si ha $N=n_{G+}-n_{W+}$, con $N$ numero di giri del diagramma attorno a $-1$ contati $+$ in senso antiorario e $-$ in senso orario e $n_{W+}$ numero di poli con $\mathrm{Re}>0$ di $W=\frac G{1+G}$. Quindi $W$ è BIBO stabile $\iff N=n_{G+}$; se $G$ è BIBO stabile ($n_{G+}=0$), $W$ è stabile $\iff N=0$ (criterio ridotto).Criterio di Nyquist - versione ristretta e criterio ridotto →) richiede due condizioni: C1 (diagramma al finito) e C2 (non passa per −1-1). Nelle applicazioni si presentano quasi sempre sistemi con un integratore, cioè un polo nell'origine, e si vuole studiare KG1+KG\frac{KG}{1+KG} al variare di KK. Questa nota rimuove le restrizioni.

Rimozione di C1: chiusura al finito

Se GG ha un polo in s=jω0s=j\omega_0 sull'asse immaginario il diagramma tende a infinito per ω→ω0\omega\to\omega_0. Si modifica il cammino di Nyquist aggirando il polo con una semicirconferenza di raggio ϵ\epsilon nel semipiano destro: s=jω0+ϵejθs=j\omega_0+\epsilon e^{j\theta}, θ\theta da −π2-\frac\pi2 a π2\frac\pi2. In tal modo il polo resta fuori dal semipiano destro racchiuso dal cammino e non viene contato in nG+n_{G+}: nG+n_{G+} è il numero dei poli con Re>0\mathrm{Re}>0 stretto.

Sulla semicirconferenza piccola, per un polo di molteplicità μ\mu, G(s)≈r(s−jω0)μ=rϵμe−jμθG(s)\approx\frac r{(s-j\omega_0)^\mu}=\frac r{\epsilon^\mu}e^{-j\mu\theta}: l'argomento diminuisce di μπ\mu\pi mentre θ\theta cresce di π\pi, il modulo è enorme. L'immagine è un arco di circonferenza di raggio infinito percorso in senso orario, di ampiezza μπ\mu\pi. Si ottiene la regola:

Chiusura al finitocollegamento dei rami del diagramma che vanno all'infinito con archi di circonferenza di raggio infinito. Per ogni polo jω0j\omega_0 di GG di molteplicità μ\mu, si collega l'estremo del ramo che arriva a infinito per ω→ω0−\omega\to\omega_0^- con l'estremo del ramo che riparte da infinito per ω→ω0+\omega\to\omega_0^+ con un arco orario di ampiezza μπ\mu\pi e raggio infinito. Per ω0>0\omega_0>0 si considera anche il polo coniugato −jω0-j\omega_0 (la chiusura è simmetrica).

Esempi: un solo polo nell'origine (μ=1\mu=1): una semicirconferenza oraria (angolo π\pi) tra G(j0−)G(j0^-) e G(j0+)G(j0^+); due poli (μ=2\mu=2): un cerchio orario completo (2π2\pi) che circonda ogni punto del piano finito; coppia di poli immaginari semplici ±jω0\pm j\omega_0: due semicirconferenze orarie.

La formula del criterio resta N=nG+−nW+N=n_{G+}-n_{W+}, con NN numero di giri del diagramma chiuso attorno a −1-1 (antiorario ++).

Rimozione di C2 e caso critico

Se il diagramma passa per −1-1, esiste ω~\tilde\omega con G(jω~)=−1G(j\tilde\omega)=-1, cioè 1+G(jω~)=01+G(j\tilde\omega)=0: jω~j\tilde\omega è polo di WW, quindi WW non è BIBO stabile (poli sull'asse). Il criterio non permette di contare i poli instabili in quel caso, ma per valori di KK vicini si può dedurre il resto dal numero di giri.

Guadagno variabile: W(s)=KG(s)1+KG(s)W(s)=\dfrac{KG(s)}{1+KG(s)}, K∈RK\in\mathbb R, K≠0K\ne0

Si scrive KG1+KG=G1K+G\frac{KG}{1+KG}=\frac G{\frac1K+G}: per il criterio si usa il punto critico mobile −1K+j0sull’asse reale.-\frac1K+j0\quad\text{sull'asse reale}. Se K>0K>0 il punto è sul semiasse negativo (−1K<0-\frac1K<0); se K<0K<0 sul semiasse positivo. Il numero nG+n_{G+} non dipende da KK; il numero di giri N=N(K)N=N(K) dipende solo da in quale intervallo dell'asse reale cade −1K-\frac1K, e cambia solo quando il punto attraversa il diagramma. Quindi: nW+(K)=nG+−N(K).n_{W+}(K)=n_{G+}-N(K).

Metodo (semiretta a destra).

  1. Tracciare il diagramma completo con la chiusura al finito, segnando con le frecce il verso di percorrenza.
  2. Ordinare le intersezioni del diagramma con l'asse reale: x1<x2<…x_1<x_2<\dots (compresi il punto G(∞)G(\infty) se GG è bipropria, KBK_B se h=0h=0, e l'origine se GG è strettamente propria).
  3. Per ogni intervallo dell'asse reale, scegliere un punto pp dell'intervallo e contare NN come numero di attraversamenti della semiretta a destra di pp (dall'ascissa pp a +∞+\infty) con segno: +1+1 se il diagramma la attraversa dal basso verso l'alto (antiorario), −1-1 se dall'alto verso il basso (orario). Gli archi di chiusura che passano per l'asse reale positivo a +∞+\infty sono attraversamenti dall'alto verso il basso (orari).
  4. Tradurre in KK: K=−1pK=-\frac1p. Attenzione: quando pp cresce da −∞-\infty a 0−0^-, KK va da 0+0^+ a +∞+\infty; quando pp va da 0+0^+ a +∞+\infty, KK va da −∞-\infty a 0−0^-.
  5. Casi critici: K=−1xiK=-\frac1{x_i} per ogni intersezione xix_i, dove WW ha poli immaginari (non BIBO stabile). Inoltre se GG è bipropria con G(∞)=g∞G(\infty)=g_\infty, per K=−1g∞K=-\frac1{g_\infty} la funzione WW non è propria, quindi non è BIBO stabile.

Esempio: G(s)=10s(1+s)(1+s10)G(s)=\dfrac{10}{s(1+s)(1+\frac s{10})}

Il diagramma è stato calcolato in Diagrammi di Nyquist - tracciamento, asintoti e intersezioniIl diagramma di Nyquist di $G(s)$ è la curva ${G(j\omega):\omega\in\mathbb R}$ nel piano complesso, percorsa per $\omega$ crescente; per $\omega<0$ è il simmetrico rispetto all'asse reale di quella per $\omega>0$. Si traccia combinando modulo e fase di Bode: per $\omega\to0^+$ parte da $K_B$ (se $h=0$) o da infinito con angolo $\arg K_B-90^\circ h$ (asintoto verticale $\mathrm{Re}=K_B(\sum T_i'-\sum T_i)$ per $h=1$), per $\omega\to\infty$ arriva nell'origine con angolo $-90^\circ(n-m)$. Le intersezioni con gli assi si trovano da $\mathrm{Im},G(j\omega)=0$ e $\mathrm{Re},G(j\omega)=0$.Diagrammi di Nyquist - tracciamento, asintoti e intersezioni →: asintoto Re=−11\mathrm{Re}=-11, interseca l'asse reale negativo in x1=−1011x_1=-\frac{10}{11} per ω=10\omega=\sqrt{10}, arriva nell'origine dall'alto. Qui nG+=0n_{G+}=0 e il polo nell'origine ha μ=1\mu=1: la chiusura è una semicirconferenza oraria dall'estremo ω→0−\omega\to0^- (che sta in Im→+∞\mathrm{Im}\to+\infty) all'estremo ω→0+\omega\to0^+ (Im→−∞\mathrm{Im}\to-\infty), passando per +∞+\infty sull'asse reale. Si contano gli attraversamenti dell'asse reale con la semiretta a destra del punto:

  • Il diagramma completo attraversa l'asse reale in x1=−1011x_1=-\frac{10}{11} due volte, verso l'alto (una volta per ω<0\omega<0 e una per ω>0\omega>0), all'infinito positivo una volta verso il basso (arco di chiusura), nell'origine una volta verso il basso (il diagramma arriva dall'alto per ω→∞\omega\to\infty e riparte dal basso per ω→−∞\omega\to-\infty).
Posizione di −1K=p-\frac1K=p KK NN nW+n_{W+}
p<−1011p<-\frac{10}{11} (a sinistra di x1x_1) 0<K<1,10<K<1{,}1 +1+1−1−1=0+1+1-1-1=0 00
−1011<p<0-\frac{10}{11}<p<0 K>1,1K>1{,}1 −1−1=−2-1-1=-2 22
p>0p>0 K<0K<0 −1-1 (solo l'arco) 11

Risultato: WW è BIBO stabile   ⟺  0<K<1,1\iff0<K<1{,}1; per K=1,1K=1{,}1 ha poli ±j10\pm j\sqrt{10} (caso critico); per K>1,1K>1{,}1 ha due poli instabili; per K<0K<0 ne ha uno. Verifica numerica: per K=−5K=-5 e K=−0,1K=-0{,}1 un polo in Re>0\mathrm{Re}>0; per K=0,3, 1K=0{,}3,\ 1 nessuno; per K=1,101K=1{,}101 e 33 due; per K=1,1K=1{,}1 i poli sono −11-11 e ±j10\pm j\sqrt{10} ✓.

Sistemi con ritardo di tempo

Se nell'anello c'è un ritardo puro TT, la catena aperta è G(s)e−sTG(s)e^{-sT}, che non è razionale (non si può usare Routh) ma si studia benissimo con Nyquist: G(jω)e−jωTG(j\omega)e^{-j\omega T} ha lo stesso modulo di G(jω)G(j\omega) e fase diminuita di ωT\omega T radianti. Il diagramma "si avvolge" attorno all'origine sempre più al crescere di ω\omega (una spirale). Se GG è stabile, W=KGe−sT1+KGe−sTW=\frac{KGe^{-sT}}{1+KGe^{-sT}} è stabile se e solo se il diagramma non circonda il punto critico, e il limite è dove passa per −1K-\frac1K.

Esempio. G=1s+1G=\frac1{s+1}, controllo proporzionale K=2K=2. Qui ∣KG(jω)∣=21+ω2|KG(j\omega)|=\frac2{\sqrt{1+\omega^2}}, che vale 11 per ωA=3\omega_A=\sqrt3. La fase con il ritardo è −arctan⁡ω−ωT-\arctan\omega-\omega T e vale −π-\pi quando −arctan⁡3−3 T=−π-\arctan\sqrt3-\sqrt3\,T=-\pi, cioè per Tc=π−π33=1,209 s.T_c=\frac{\pi-\frac\pi3}{\sqrt3}=1{,}209\ \mathrm s. Per T<TcT<T_c il sistema è stabile, per T>TcT>T_c no; per T=TcT=T_c si ha s=±j3s=\pm j\sqrt3 radice di s+1+2e−sTc=0s+1+2e^{-sT_c}=0 (verificato: 1+j3+2e−j3⋅1,209=01+j\sqrt3+2e^{-j\sqrt3\cdot1{,}209}=0). Un guadagno più alto sopporta ritardi minori: per K=10K=10, ωA=9,95\omega_A=9{,}95 e Tc=π−1,4719,95=0,168T_c=\frac{\pi-1{,}471}{9{,}95}=0{,}168 s (Pulsazione di attraversamento, margine di fase e criterio di BodeLa pulsazione di attraversamento $\omega_A$ è la $\omega>0$ in cui $|G(j\omega)|=1$ (0 dB); il margine di fase è $m_\varphi=180^\circ+\arg G(j\omega_A)$: quanta fase si può ancora perdere prima di arrivare a $-180^\circ$. Criterio di Bode: se $G$ è strettamente propria, ha guadagno di Bode $K_B>0$, nessun polo con $\mathrm{Re}>0$ e $\omega_A$ è ben definita (esiste ed è unica), allora $W=\frac G{1+G}$ è BIBO stabile $\iff m_\varphi>0$. Più $m_\varphi$ è grande, più il sistema è lontano dall'instabilità e meno oscilla.Pulsazione di attraversamento, margine di fase e criterio di Bode → sul margine di fase e i ritardi).

Riassunto: Nyquist, Routh e luogo

Lo stesso problema si può affrontare con tre strumenti:

Dati su GG Strumento Risposta
forma analitica Routh su d+Knd+Kn (Criterio di Routh-HurwitzIl criterio di Routh stabilisce se un polinomio $P(s)=p_ns^n+\dots+p_0$ è di Hurwitz senza calcolarne le radici. Si costruisce la tabella (righe $n,n-1,\dots,0$) con $\text{nuovo}=\frac{\text{pivot}\cdot a-\text{prec.}\cdot b}{\text{pivot}}$; se la tabella va a compimento, il numero di variazioni di segno nella prima colonna è il numero di radici con $\mathrm{Re}>0$, le permanenze il numero con $\mathrm{Re}<0$. Elemento nullo in prima colonna: $P$ non è Hurwitz; riga nulla: radici simmetriche (spesso immaginarie) date dal polinomio ausiliario. Con parametro $K$ nei coefficienti dà gli intervalli di stabilità.Criterio di Routh-Hurwitz →) sì/no per ogni KK e nW+n_{W+} dalle variazioni
forma grafica (Nyquist) questo criterio sì/no per ogni KK e nW+=nG+−Nn_{W+}=n_{G+}-N
forma analitica luogo delle radici (Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamentoPer $G=\frac{n(s)}{d(s)}$ (monici, coprimi, $n=\deg d\ge m=\deg n$) e $W_K=\frac{KG}{1+KG}$, il luogo positivo è l'insieme dei $s$ con $d(s)+Kn(s)=0$ per qualche $K>0$ (i poli di $W_K$ al variare di $K$). Regole: $n$ rami simmetrici rispetto all'asse reale, partono dai poli ($K=0$) e finiscono negli $m$ zeri o negli $n-m$ asintoti; un punto reale è nel luogo positivo se alla sua destra ci sono un numero dispari di poli+zeri reali (con molteplicità); asintoti con direzioni $\frac{(2i+1)\pi}{n-m}$ e centro $x_B=\frac{\sum p_i-\sum z_i}{n-m}$; il guadagno in un punto è $K=-\frac{d(s)}{n(s)}$.Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento →) posizione dei poli di WW al variare di KK

Nei temi d'esame si chiede spesso di verificare con Routh il risultato ottenuto con Nyquist: i numeri coincidono.

Errori comuni

  • Dimenticare la chiusura all'infinito per i poli nell'origine (arco orario di μπ\mu\pi), o disegnarla antioraria.
  • Contare nei nG+n_{G+} anche i poli immaginari: non vanno contati.
  • Confondere la direzione di KK rispetto a −1K-\frac1K: a sinistra di x1x_1 sono i K>0K>0 piccoli.
  • Dimenticare i casi critici (K=−1xiK=-\frac1{x_i}) e il caso WW non propria.
  • Contare giri "a occhio": meglio il metodo della semiretta con attraversamenti con segno.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata