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Note per Studenti Risposta al gradino e risposta in frequenza - sistemi del primo e del secondo ordine

Risposta al gradino e risposta in frequenza - sistemi del primo e del secondo ordine

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La risposta al gradino (Risposta al gradino e suoi parametriPer $W$ strettamente propria, BIBO stabile e con $W(0)\ne0$ la risposta al gradino $w_{-1}$ parte da $0$ e tende a $W(0)$. I suoi parametri (al 10%) sono il tempo di salita $t_r=\min{t:|w_{-1}(t)-W(0)|\le0{,}1|W(0)|}$, il tempo di assestamento $t_s$ (da cui in poi la risposta resta nella banda del 10%) e la sovraelongazione $S=\frac{\max w_{-1}-W(0)}{W(0)}\cdot100%$. Se la risposta è monotona $t_r=t_s$ e $S=0$. Per $W=\frac K{s+p}$: $t_r=t_s=\frac{\ln10}p$. Uno zero instabile produce sottoelongazione (undershoot).Risposta al gradino e suoi parametri →) descrive il sistema nel tempo, la risposta in frequenza (Forma di Bode e diagrammi di Bode dei termini elementariLa forma di Bode scrive $W(s)=\frac{K_B}{s^h}\frac{\prod(1+T_i's)\prod(1+2\xi_i'\frac s{\omega_{ni}'}+\frac{s^2}{\omega_{ni}'^2})}{\prod(1+T_is)\prod(1+2\xi_i\frac s{\omega_{ni}}+\frac{s^2}{\omega_{ni}^2})}$ con $K_B=\lim_{s\to0}s^hW(s)$. Il diagramma di Bode (modulo in dB e fase, su asse $\omega$ logaritmico) si ottiene sommando i contributi dei termini elementari: costante, $s^{\mp1}$ ($\mp20$ dB/dec, $\mp90^\circ$), binomio ($\pm20$ dB/dec dopo $1/|T|$, fase $\pm90^\circ$, opposta se instabile), trinomio ($\pm40$ dB/dec dopo $\omega_n$, fase $\pm180^\circ$, picco $20\log2\xi$).Forma di Bode e diagrammi di Bode dei termini elementari →) nel dominio della frequenza. Nella sintesi di un controllore le specifiche si danno nel tempo (rapidità, oscillazioni), ma il progetto si fa in frequenza: serve un ponte tra i due mondi. Questa nota lo costruisce studiando alcuni sistemi semplici.

Parametri della risposta in frequenza

Siano WW strettamente propria, BIBO stabile, W(0)≠0W(0)\ne0.

  • Banda passanteintervallo di pulsazioni in cui il modulo di W è al più 3 dB sotto il valore in continua BpB_p: la più grande ω\omega tale che ∣W(jω)∣≥∣W(0)∣2|W(j\omega)|\ge\frac{|W(0)|}{\sqrt2} in tutto [0,ω][0,\omega]: l'intervallo di frequenze in cui il modulo è al più 33 dB sotto il valore in continua. È una misura di "quanto veloce" è il sistema: il modulo si abbassa oltre BpB_p, quindi le sinusoidi più rapide sono attenuate.
  • Pulsazione di risonanza ωr\omega_r: se esiste, l'unica ω\omega in cui ∣W(jω)∣|W(j\omega)| ha il suo massimo assoluto.
  • Picco di risonanza MrM_r: se ωr\omega_r esiste, Mr=∣W(jωr)∣∣W(0)∣M_r=\frac{|W(j\omega_r)|}{|W(0)|} (spesso in dB).

Sistema del primo ordine

W(s)=Ks+p=K/p1+s/pW(s)=\frac K{s+p}=\frac{K/p}{1+s/p}, p>0p>0. Il modulo K/p1+ω2/p2\frac{K/p}{\sqrt{1+\omega^2/p^2}} è monotono decrescente (nessuna risonanza) e vale 12Kp\frac1{\sqrt2}\frac Kp in ω=p\omega=p: Bp=pB_p=p. La risposta al gradino è monotona con tr=ln⁡10pt_r=\frac{\ln10}p, quindi Bp tr=ln⁡10≈2,31.\boxed{B_p\,t_r=\ln10\approx2{,}31.} Più il polo è lontano dall'origine, più il sistema è veloce e più la banda è larga.

Altri tre sistemi

Per sistemi con tre o più parametri si calcola numericamente la risposta (Risposta al gradino e suoi parametriPer $W$ strettamente propria, BIBO stabile e con $W(0)\ne0$ la risposta al gradino $w_{-1}$ parte da $0$ e tende a $W(0)$. I suoi parametri (al 10%) sono il tempo di salita $t_r=\min{t:|w_{-1}(t)-W(0)|\le0{,}1|W(0)|}$, il tempo di assestamento $t_s$ (da cui in poi la risposta resta nella banda del 10%) e la sovraelongazione $S=\frac{\max w_{-1}-W(0)}{W(0)}\cdot100%$. Se la risposta è monotona $t_r=t_s$ e $S=0$. Per $W=\frac K{s+p}$: $t_r=t_s=\frac{\ln10}p$. Uno zero instabile produce sottoelongazione (undershoot).Risposta al gradino e suoi parametri → riporta le formule):

W(s)W(s) Risposta al gradino BpB_p trt_r BptrB_pt_r Risonanza
Ks+p\dfrac{K}{s+p} monotona pp ln⁡10p\frac{\ln10}p 2,302{,}30 no
1+s/5(1+s)(1+s/10)\dfrac{1+s/5}{(1+s)(1+s/10)} (2 poli reali, 1 zero stabile) monotona 1,031{,}03 2,192{,}19 s 2,252{,}25 no
1−s(1+s)(1+s/10)\dfrac{1-s}{(1+s)(1+s/10)} (zero instabile) sottoelongazione 1010 3,103{,}10 s 31,031{,}0 no
1+s/101+0,2s+s2\dfrac{1+s/10}{1+0{,}2s+s^2} (poli complessi, zero stabile) oscillante, S=73%S=73\% 1,551{,}55 1,461{,}46 s 2,262{,}26 sì, 14,0714{,}07 dB in ωr=0,99\omega_r=0{,}99

Osservazioni.

  • Se la risposta al gradino è monotona anche il modulo è monotono: non c'è picco di risonanza. Se la risposta oscilla il modulo ha un picco di risonanza.
  • Il prodotto Bp trB_p\,t_r è circa 2,32{,}3: banda e tempo di salita sono inversamente proporzionali.
  • L'ultima ipotesi (niente zeri instabili) è essenziale: nel terzo sistema il modulo è 11+ω2/100\frac1{\sqrt{1+\omega^2/100}} (lo zero instabile e il polo in 11 si compensano nel modulo), quindi Bp=10B_p=10, ma la risposta è lenta (tr=3,10t_r=3{,}10 s): Bptr=31B_pt_r=31, la relazione cade. Nello studio di queste relazioni si escludono sempre i sistemi con zeri a parte reale positiva.

Sistema del secondo ordine canonico

W(s)=ωn2s2+2ξωns+ωn2,0<ξ<1,W(0)=1.W(s)=\frac{\omega_n^2}{s^2+2\xi\omega_ns+\omega_n^2},\qquad0<\xi<1,\quad W(0)=1. Poli −ξωn±jωn1−ξ2-\xi\omega_n\pm j\omega_n\sqrt{1-\xi^2}. La risposta al gradino è w−1(t)=1−e−ξωnt1−ξ2sin⁡ ⁣(ωn1−ξ2 t+φ),φ=arccos⁡ξ.w_{-1}(t)=1-\frac{e^{-\xi\omega_nt}}{\sqrt{1-\xi^2}}\sin\!\big(\omega_n\sqrt{1-\xi^2}\,t+\varphi\big),\quad\varphi=\arccos\xi. Il massimo si ha in t=πωn1−ξ2t=\frac\pi{\omega_n\sqrt{1-\xi^2}} e la sovraelongazione è S=100 e−πξ/1−ξ2 %.S=100\,e^{-\pi\xi/\sqrt{1-\xi^2}}\ \%. Il tempo di assestamento (10%) è circa ts≈ln⁡10ξωn=2,3ξωnt_s\approx\frac{\ln10}{\xi\omega_n}=\frac{2{,}3}{\xi\omega_n}, perché l'inviluppo e−ξωnte^{-\xi\omega_nt} deve scendere sotto 0,10{,}1. Nel dominio della frequenza (modulo 1(1−u2)2+4ξ2u2\frac1{\sqrt{(1-u^2)^2+4\xi^2u^2}}, u=ωωnu=\frac\omega{\omega_n}): ωr=ωn1−2ξ2  (ξ<12),Mr=12ξ1−ξ2.\omega_r=\omega_n\sqrt{1-2\xi^2}\ \ (\xi<\tfrac1{\sqrt2}),\qquad M_r=\frac1{2\xi\sqrt{1-\xi^2}}. Se ξ≥12≈0,707\xi\ge\frac1{\sqrt2}\approx0{,}707 il modulo è monotono, senza picco. Tabella (calcolata dalle formule e controllata numericamente):

ξ\xi SS MrM_r MrM_r (dB) ωr/ωn\omega_r/\omega_n Bp/ωnB_p/\omega_n
0,10{,}1 72,9%72{,}9\% 5,035{,}03 14,014{,}0 0,990{,}99 1,541{,}54
0,20{,}2 52,7%52{,}7\% 2,552{,}55 8,18{,}1 0,960{,}96 1,511{,}51
0,30{,}3 37,2%37{,}2\% 1,751{,}75 4,94{,}9 0,910{,}91 1,451{,}45
0,50{,}5 16,3%16{,}3\% 1,151{,}15 1,251{,}25 0,710{,}71 1,271{,}27
0,7070{,}707 4,3%4{,}3\% 11 00 — 1,001{,}00
11 00 11 00 — 0,640{,}64

Quanto più il picco di risonanza è alto tanto più la risposta al gradino oscilla: MrM_r e SS dipendono entrambi solo da ξ\xi.

Sistemi di ordine superiore: poli dominanti

Se WW ha ordine maggiore di 22 ma i suoi poli sono divisi in due gruppi, i poli dominantii poli più vicini all'asse immaginario, che determinano il transitorio (uno reale o due complessi coniugati, i più vicini all'asse immaginario) e gli altri molto più a sinistra (almeno 5–105\text{–}10 volte più lontani), il sistema si comporta approssimativamente come quello del primo o secondo ordine formato dai soli poli dominanti. Le relazioni di questa nota continuano a valere come stime. Esempio: 1(1+s)(1+s/100)\frac1{(1+s)(1+s/100)} ha Bp≈1B_p\approx1 e risposta monotona con tr≈ln⁡101=2,3t_r\approx\frac{\ln10}1=2{,}3 s: il polo in 100100 è trascurabile.

Come si usano

Errori comuni

  • Applicare Bptr≈2,3B_pt_r\approx2{,}3 a sistemi con zeri instabili (non vale).
  • Confondere ωn\omega_n con ωr\omega_r o con la banda BpB_p: sono tre pulsazioni diverse (uguali solo per ξ→0\xi\to0 le prime due).
  • Dire che esiste sempre un picco di risonanza: per ξ≥12\xi\ge\frac1{\sqrt2} il modulo è monotono.
  • Usare queste relazioni per sistemi di ordine alto senza poli dominanti ben separati.

Versione ripasso

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata