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Note per Studenti Reti attenuatrici e reti a sella

Reti attenuatrici e reti a sella

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Se la pulsazione di attraversamento di C′GC'G è maggiore di quella voluta (ωA>ωA∗\omega_A>\omega_A^*) bisogna abbassare il modulo in ωA∗\omega_A^* di MM dB. Un guadagno minore di 11 non è ammesso (rovinerebbe l'errore a regime: Problema di regolazione e sintesi per tentativiProblema di regolazione: data $G$ propria, senza poli in $\mathrm{Re}>0$, con $G(0)\ne0$ (cioè $G=\frac{K_B(G)}{s^r}G_1$, $G_1(0)=1$), progettare $C$ propria tale che $W=\frac{CG}{1+CG}$ sia BIBO stabile, di tipo $k$ con $|e_{rp}^{(k+1)}|\le e^$, con $\omega_A\simeq\omega_A^$ e $m_\varphi\ge m_\varphi^$. Sintesi per tentativi: Passo 1 $C'=\frac{K_B(C')}{s^\alpha}$ ($\alpha=\max(k-r,0)$, $|K_B(C')|$ minimo che soddisfa l'errore, segno di $K_B(G)$); Passo 2 $C''$ con $K_B(C'')=1$ che porta $\omega_A$ e $m_\varphi$ ai valori voluti in quattro casi ($\omega_A\gtrless\omega_A^$, $m_\varphi(\omega_A^)\gtrless m_\varphi^$): guadagno, rete anticipatrice, attenuatrice, a sella. Il criterio di Bode garantisce la stabilità.Problema di regolazione e sintesi per tentativi →), quindi si abbassa solo l'alta frequenza con una rete attenuatricerete con polo prima dello zero: abbassa il modulo ad alta frequenza lasciando invariato il guadagno in continua (o ritardatrice, lag network).

La rete attenuatrice

Catt(s)=1+sz1+sp=1+αTs1+Ts,0<p<z,T=1p, α=pz∈(0,1).\boxed{C_{att}(s)=\frac{1+\frac sz}{1+\frac sp}=\frac{1+\alpha Ts}{1+Ts},\qquad0<p<z,\quad T=\tfrac1p,\ \alpha=\tfrac pz\in(0,1).} È un polo stabile in pp seguito, più a destra, da uno zero stabile in zz; KB=1K_B=1. Diagramma di Bode:

  • modulo: 00 dB per ω<p\omega<p, poi decresce a −20-20 dB/dec tra pp e zz, poi resta costante a −20log⁡zp-20\log\frac zp dB per ω>z\omega>z;
  • fase: parte da 0∘0^\circ, scende fino a un minimo negativo (al massimo −90∘-90^\circ) e torna a 0∘0^\circ: una "gobba" negativa tra pp e zz. Per questo si chiama anche ritardatrice.

Il minimo di fase è −arcsin⁡1−α1+α-\arcsin\frac{1-\alpha}{1+\alpha} in pz\sqrt{pz}, come la rete anticipatrice ma con segno opposto (Reti anticipatriciLa rete anticipatrice $C_{ant}(s)=\frac{1+s/z}{1+s/p}=\frac{1+sT}{1+\alpha Ts}$ con $0<z<p$ ($\alpha=\frac zp<1$) ha $K_B=1$, alza il modulo di $20\log\frac pz$ dB tra $z$ e $p$ e aggiunge fase (massimo $\arcsin\frac{1-\alpha}{1+\alpha}$ in $\sqrt{zp}$). Si usa nei casi ②, ④ (parte anticipatrice) della sintesi: con $\Phi\le90^\circ$ si mette uno zero $\frac M{20}$ decadi prima di $\omega_A^$; con $90^\circ<\Phi\le180^\circ$ due zeri a $\frac M{40}$ decadi; il polo (o i poli) almeno una o due decadi dopo $\omega_A^$ per rendere la rete propria.Reti anticipatrici →).

Il progetto (caso ③)

Si è nel caso ③: ωA>ωA∗\omega_A>\omega_A^* e mφ(ωA∗)≥mφ∗m_\varphi(\omega_A^*)\ge m_\varphi^*. Si calcolano M>0M>0 (dB da perdere in ωA∗\omega_A^*) e il margine di fase "regalato" Φ=mφ(ωA∗)−mφ∗≥0\Phi=m_\varphi(\omega_A^*)-m_\varphi^*\ge0 (gradi che si possono perdere). Si vuole modulo −M-M dB in ωA∗\omega_A^* e fase quasi invariata. Poiché la rete attenuatrice ha il suo effetto completo oltre lo zero:

  1. Zero: si mette zz almeno una decade prima di ωA∗\omega_A^* (z≤ωA∗10z\le\frac{\omega_A^*}{10}): dopo lo zero il modulo è già sceso del tutto e la fase della rete tende a tornare a 00. Più lo zero è lontano da ωA∗\omega_A^*, meno fase si perde: in ωA∗\omega_A^* il contributo di fase è arctan⁡ωA∗z−arctan⁡ωA∗p≈−z−pωA∗\arctan\frac{\omega_A^*}z-\arctan\frac{\omega_A^*}p\approx-\frac{z-p}{\omega_A^*} rad, circa −5,1∘-5{,}1^\circ per z=ωA∗10z=\frac{\omega_A^*}{10} e −0,6∘-0{,}6^\circ per z=ωA∗100z=\frac{\omega_A^*}{100}. Se questo supera Φ\Phi si allontana lo zero.
  2. Polo: p=z⋅10−M/20p=z\cdot10^{-M/20}, cioè il polo precede lo zero di M20\frac M{20} decadi: la differenza di quota tra le due pulsazioni è proprio l'attenuazione da ottenere.

Esempio 1. C′G=100(1+s)(1+s10)C'G=\dfrac{100}{(1+s)(1+\frac s{10})} (tipo 00), ωA∗=10\omega_A^*=10 rad/s, mφ∗=45∘m_\varphi^*=45^\circ. In ω=10\omega=10: modulo +16,95+16{,}95 dB (quindi ωA>ωA∗\omega_A>\omega_A^*: M=16,95M=16{,}95 dB da togliere), fase −arctan⁡10−arctan⁡1=−129,3∘-\arctan10-\arctan1=-129{,}3^\circ, cioè mφ(ωA∗)=50,7∘≥45∘m_\varphi(\omega_A^*)=50{,}7^\circ\ge45^\circ: caso ③ con Φ=5,7∘\Phi=5{,}7^\circ. Zero in z=1z=1 (una decade prima di 1010), polo p=10−16,95/20=0,142p=10^{-16{,}95/20}=0{,}142 rad/s: C′′(s)=1+s1+s0,142=1+s1+7,04 s ⟹ C′C′′G=100(1+s10)(1+7,04s).C''(s)=\frac{1+s}{1+\frac s{0{,}142}}=\frac{1+s}{1+7{,}04\,s}\ \Longrightarrow\ C'C''G=\frac{100}{(1+\frac s{10})(1+7{,}04s)}. Verifica: ωA=10,03\omega_A=10{,}03, fase −134,3∘-134{,}3^\circ, mφ=45,7∘≥45∘m_\varphi=45{,}7^\circ\ge45^\circ ✓ (la perdita di fase è 5,0∘5{,}0^\circ, giusto nei 5,7∘5{,}7^\circ disponibili). Nell'esame del luglio 2025 la stessa idea dà C′′=1+0,1s1+sC''=\frac{1+0{,}1s}{1+s} per attenuare 2020 dB con ωA∗=100\omega_A^*=100 (Esercizio 19 · sintesi con PI e rete attenuatrice (tema d'esame luglio 2025)).

La rete a sella

Nel caso ④ (ωA>ωA∗\omega_A>\omega_A^* e mφ(ωA∗)<mφ∗m_\varphi(\omega_A^*)<m_\varphi^*) bisogna abbassare il modulo di MM dB e alzare la fase di Φ\Phi gradi. Né l'anticipatrice (alza il modulo) né la sola attenuatrice (abbassa la fase) bastano: si usa una rete a sella, prodotto di una attenuatrice e di una anticipatrice: Csella(s)=Catt(s) Cant(s)=(1+sz1)(1+sz2)(1+sp1)(1+sp2),0<p1<z1≤z2<p2,KB=1.C_{sella}(s)=C_{att}(s)\,C_{ant}(s)=\frac{\big(1+\frac s{z_1}\big)\big(1+\frac s{z_2}\big)}{\big(1+\frac s{p_1}\big)\big(1+\frac s{p_2}\big)},\qquad0<p_1<z_1\le z_2<p_2,\quad K_B=1. Il modulo ha una "sella": scende, resta in basso tra z1z_1 e z2z_2, risale. La fase è negativa e poi positiva: la parte anticipatrice, intorno a ωA∗\omega_A^*, alza la fase.

Procedura in due passi.

  1. Rete anticipatrice per la fase: si pone z2z_2 in modo che aggiunga la fase Φ\Phi (se Φ≤90∘\Phi\le90^\circ basta uno zero a Δ/20\Delta/20 decadi prima di ωA∗\omega_A^*: Δ=20\Delta=20 dB per 84∘84^\circ, Δ=40\Delta=40 per 89∘89^\circ) e un polo p2p_2 lontano (Reti anticipatriciLa rete anticipatrice $C_{ant}(s)=\frac{1+s/z}{1+s/p}=\frac{1+sT}{1+\alpha Ts}$ con $0<z<p$ ($\alpha=\frac zp<1$) ha $K_B=1$, alza il modulo di $20\log\frac pz$ dB tra $z$ e $p$ e aggiunge fase (massimo $\arcsin\frac{1-\alpha}{1+\alpha}$ in $\sqrt{zp}$). Si usa nei casi ②, ④ (parte anticipatrice) della sintesi: con $\Phi\le90^\circ$ si mette uno zero $\frac M{20}$ decadi prima di $\omega_A^$; con $90^\circ<\Phi\le180^\circ$ due zeri a $\frac M{40}$ decadi; il polo (o i poli) almeno una o due decadi dopo $\omega_A^$ per rendere la rete propria.Reti anticipatrici →). Questa parte alza il modulo di Δ\Delta dB in ωA∗\omega_A^*.
  2. Rete attenuatrice che toglie M+ΔM+\Delta dB (il necessario più quanto la parte anticipatrice ha aggiunto): zero z1≤ωA∗10z_1\le\frac{\omega_A^*}{10} e polo p1=z1⋅10−(M+Δ)/20p_1=z_1\cdot10^{-(M+\Delta)/20}, abbastanza a sinistra da non alterare la fase in ωA∗\omega_A^* (la fase persa è circa z1ωA∗\frac{z_1}{\omega_A^*} rad).

Esempio 2. C′G=104(1+10s)2C'G=\dfrac{10^4}{(1+10s)^2} (tipo 00, errore 10−410^{-4} già garantito dal guadagno), ωA∗=1\omega_A^*=1 rad/s, mφ∗=80∘m_\varphi^*=80^\circ. In ω=1\omega=1 il modulo è +39,9+39{,}9 dB: M=39,9≈40M=39{,}9\approx40 dB da togliere. La fase è −2arctan⁡10=−168,6∘-2\arctan10=-168{,}6^\circ, mφ(ωA∗)=11,4∘<80∘m_\varphi(\omega_A^*)=11{,}4^\circ<80^\circ, Φ=68,6∘\Phi=68{,}6^\circ: caso ④. Anticipatrice con zero a ωA∗10=0,1\frac{\omega_A^*}{10}=0{,}1 (aggiunge Δ=20\Delta=20 dB e 84,3∘84{,}3^\circ) e polo in 100100 (costa 0,6∘0{,}6^\circ): Cant=1+10s1+0,01sC_{ant}=\frac{1+10s}{1+0{,}01s}. Attenuatrice che deve togliere M+Δ=60M+\Delta=60 dB: zero in 0,10{,}1 (una decade prima di ωA∗\omega_A^*) e polo 0,1⋅10−3=10−40{,}1\cdot10^{-3}=10^{-4}: Catt=1+10s1+104sC_{att}=\frac{1+10s}{1+10^4s}. La rete a sella: C′′=(1+10s)2(1+104s)(1+0,01s).C''=\frac{(1+10s)^2}{(1+10^4s)(1+0{,}01s)}. Verifica: in ω=1\omega=1 il modulo del controllore è −39,9-39{,}9 dB e la fase +78,0∘+78{,}0^\circ: C′C′′GC'C''G ha ωA=1,00\omega_A=1{,}00 e fase −90,6∘-90{,}6^\circ, cioè mφ=89,4∘≥80∘m_\varphi=89{,}4^\circ\ge80^\circ ✓. L'errore a regime 10−410^{-4} è invariato perché KB(C′′)=1K_B(C'')=1.

Errori comuni

  • Usare una rete attenuatrice con lo zero troppo vicino a ωA∗\omega_A^*: toglie troppa fase.
  • Dimenticare che la parte anticipatrice della sella alza il modulo di Δ\Delta e che l'attenuatrice deve togliere M+ΔM+\Delta, non solo MM.
  • Confondere l'ordine: nell'attenuatrice il polo precede lo zero (p<zp<z), nell'anticipatrice lo zero precede il polo (z<pz<p).
  • Abbassare il modulo con un guadagno KB<1K_B<1: viola la specifica sull'errore.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

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