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 ). Nelle applicazioni si presentano quasi sempre sistemi con un integratore, cioè un polo nell'origine, e si vuole studiare al variare di . Questa nota rimuove le restrizioni.
Rimozione di C1: chiusura al finito
Se ha un polo in sull'asse immaginario il diagramma tende a infinito per . Si modifica il cammino di Nyquist aggirando il polo con una semicirconferenza di raggio nel semipiano destro: , da a . In tal modo il polo resta fuori dal semipiano destro racchiuso dal cammino e non viene contato in : è il numero dei poli con stretto.
Sulla semicirconferenza piccola, per un polo di molteplicità , : l'argomento diminuisce di mentre cresce di , il modulo è enorme. L'immagine è un arco di circonferenza di raggio infinito percorso in senso orario, di ampiezza . 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 di di molteplicità , si collega l'estremo del ramo che arriva a infinito per con l'estremo del ramo che riparte da infinito per con un arco orario di ampiezza e raggio infinito. Per si considera anche il polo coniugato (la chiusura è simmetrica).
Esempi: un solo polo nell'origine (): una semicirconferenza oraria (angolo ) tra e ; due poli (): un cerchio orario completo () che circonda ogni punto del piano finito; coppia di poli immaginari semplici : due semicirconferenze orarie.
La formula del criterio resta , con numero di giri del diagramma chiuso attorno a (antiorario ).
Rimozione di C2 e caso critico
Se il diagramma passa per , esiste con , cioè : è polo di , quindi non è BIBO stabile (poli sull'asse). Il criterio non permette di contare i poli instabili in quel caso, ma per valori di vicini si può dedurre il resto dal numero di giri.
Guadagno variabile: , ,
Si scrive : per il criterio si usa il punto critico mobile Se il punto è sul semiasse negativo (); se sul semiasse positivo. Il numero non dipende da ; il numero di giri dipende solo da in quale intervallo dell'asse reale cade , e cambia solo quando il punto attraversa il diagramma. Quindi:
Metodo (semiretta a destra).
- Tracciare il diagramma completo con la chiusura al finito, segnando con le frecce il verso di percorrenza.
- Ordinare le intersezioni del diagramma con l'asse reale: (compresi il punto se è bipropria, se , e l'origine se è strettamente propria).
- Per ogni intervallo dell'asse reale, scegliere un punto dell'intervallo e contare come numero di attraversamenti della semiretta a destra di (dall'ascissa a ) con segno: se il diagramma la attraversa dal basso verso l'alto (antiorario), se dall'alto verso il basso (orario). Gli archi di chiusura che passano per l'asse reale positivo a sono attraversamenti dall'alto verso il basso (orari).
- Tradurre in : . Attenzione: quando cresce da a , va da a ; quando va da a , va da a .
- Casi critici: per ogni intersezione , dove ha poli immaginari (non BIBO stabile). Inoltre se è bipropria con , per la funzione non è propria, quindi non è BIBO stabile.
Esempio:
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 , interseca l'asse reale negativo in per , arriva nell'origine dall'alto. Qui e il polo nell'origine ha : la chiusura è una semicirconferenza oraria dall'estremo (che sta in ) all'estremo (), passando per 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 due volte, verso l'alto (una volta per e una per ), all'infinito positivo una volta verso il basso (arco di chiusura), nell'origine una volta verso il basso (il diagramma arriva dall'alto per e riparte dal basso per ).
| Posizione di | |||
|---|---|---|---|
| (a sinistra di ) | |||
| (solo l'arco) |
Risultato: è BIBO stabile ; per ha poli (caso critico); per ha due poli instabili; per ne ha uno. Verifica numerica: per e un polo in ; per nessuno; per e due; per i poli sono e ✓.
Sistemi con ritardo di tempo
Se nell'anello c'è un ritardo puro , la catena aperta è , che non è razionale (non si può usare Routh) ma si studia benissimo con Nyquist: ha lo stesso modulo di e fase diminuita di radianti. Il diagramma "si avvolge" attorno all'origine sempre più al crescere di (una spirale). Se è stabile, è stabile se e solo se il diagramma non circonda il punto critico, e il limite è dove passa per .
Esempio. , controllo proporzionale . Qui , che vale per . La fase con il ritardo è e vale quando , cioè per Per il sistema è stabile, per no; per si ha radice di (verificato: ). Un guadagno più alto sopporta ritardi minori: per , e 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:
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 ), o disegnarla antioraria.
- Contare nei anche i poli immaginari: non vanno contati.
- Confondere la direzione di rispetto a : a sinistra di sono i piccoli.
- Dimenticare i casi critici () e il caso non propria.
- Contare giri "a occhio": meglio il metodo della semiretta con attraversamenti con segno.
Versione ripasso
- Chiusura al finito: per ogni polo di di molteplicità : arco orario di ampiezza , raggio , tra e (cammino con semicirconferenza a destra: polo non contato in ). Origine semplice: semicirconferenza; doppia: cerchio completo. Vale ancora (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 →).
- Caso critico: diagramma per ha poli immaginari, non BIBO.
- : punto critico (: semiasse negativo; : positivo); , costante tra due intersezioni.
- Metodo: (1) diagramma + chiusura + frecce; (2) intersezioni con l'asse reale; (3) = attraversamenti della semiretta a destra di ( dal basso, dall'alto; l'arco di chiusura a vale ); (4) ; (5) casi critici e ( non propria).
- Esempio : ; : , stabile; : , ; : , ; : poli .
- Ritardo : (modulo invariato, fase ); , : , s.
- Strumenti: Routh su , Nyquist, luogo (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 →).
- Errori: chiusura dimenticata o antioraria; poli immaginari in ; direzione di ; casi critici; conteggio a occhio.
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 6 · diagramma di Bode e di Nyquist di una funzione con zeri immaginari e poli instabili (tema d'esame luglio 2025)
- Esercizio 7 · Bode e Nyquist di un polo nell'origine con zeri complessi e polo instabile (temi d'esame febbraio 2024 e agosto 2021)
- Esercizio 8 · Nyquist con poli e zeri immaginari e chiusura all'infinito (temi d'esame luglio 2024, gennaio 2021 e giugno 2022)
- Esercizio 9 · Nyquist con due zeri nell'origine e poli complessi instabili (temi d'esame febbraio 2023 e febbraio 2021)
- Esercizio 10 · Nyquist con poli immaginari, due zeri reali e un polo reale (temi d'esame giugno 2023 e febbraio 2022)
- Esercizio 11 · Nyquist con un polo triplo nell'origine (tema d'esame settembre 2025)