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 strettamente propria, BIBO stabile, .
- Banda passanteintervallo di pulsazioni in cui il modulo di W è al più 3 dB sotto il valore in continua : la più grande tale che in tutto : l'intervallo di frequenze in cui il modulo è al più dB sotto il valore in continua. È una misura di "quanto veloce" è il sistema: il modulo si abbassa oltre , quindi le sinusoidi più rapide sono attenuate.
- Pulsazione di risonanza : se esiste, l'unica in cui ha il suo massimo assoluto.
- Picco di risonanza : se esiste, (spesso in dB).
Sistema del primo ordine
, . Il modulo è monotono decrescente (nessuna risonanza) e vale in : . La risposta al gradino è monotona con , quindi 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):
| Risposta al gradino | Risonanza | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| monotona | no | ||||
| (2 poli reali, 1 zero stabile) | monotona | s | no | ||
| (zero instabile) | sottoelongazione | s | no | ||
| (poli complessi, zero stabile) | oscillante, | s | sì, dB in |
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 è circa : banda e tempo di salita sono inversamente proporzionali.
- L'ultima ipotesi (niente zeri instabili) è essenziale: nel terzo sistema il modulo è (lo zero instabile e il polo in si compensano nel modulo), quindi , ma la risposta è lenta ( s): , la relazione cade. Nello studio di queste relazioni si escludono sempre i sistemi con zeri a parte reale positiva.
Sistema del secondo ordine canonico
Poli . La risposta al gradino è Il massimo si ha in e la sovraelongazione è Il tempo di assestamento (10%) è circa , perché l'inviluppo deve scendere sotto . Nel dominio della frequenza (modulo , ): Se il modulo è monotono, senza picco. Tabella (calcolata dalle formule e controllata numericamente):
| (dB) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| — | |||||
| — |
Quanto più il picco di risonanza è alto tanto più la risposta al gradino oscilla: e dipendono entrambi solo da .
Sistemi di ordine superiore: poli dominanti
Se ha ordine maggiore di 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 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: ha e risposta monotona con s: il polo in è trascurabile.
Come si usano
- Dalla specifica "" si ricava la banda necessaria .
- Dalla specifica "" si ricava un limite al picco di risonanza e, per il secondo ordine, a .
- Poiché il sistema controllato si progetta sulla funzione in catena aperta, queste relazioni vengono poi tradotte in specifiche sulla pulsazione di attraversamento e sul margine di fase (Margine di fase, banda e picco di risonanzaPer $G$ strettamente propria, senza poli instabili, con $K_B>0$ e $\omega_A$ ben definita, la banda di $W=\frac G{1+G}$ è molto vicina a $\omega_A$ ($B_p\approx\omega_A$) e il tempo di salita si stima con $t_r\approx\frac{2{,}3}{\omega_A}$. Il margine di fase controlla le oscillazioni: $|W(j\omega_A)|=\frac1{2\sin(m_\varphi/2)}$, che approssima il picco di risonanza; per $\frac{\omega_n^2}{s(s+2\xi\omega_n)}$ si ha $m_\varphi\approx100,\xi$ gradi. Specifiche tipiche: $m_\varphi\ge45^\circ$ per poche oscillazioni, $m_\varphi\approx90^\circ$ per risposta tipo primo ordine.Margine di fase, banda e picco di risonanza →).
Errori comuni
- Applicare a sistemi con zeri instabili (non vale).
- Confondere con o con la banda : sono tre pulsazioni diverse (uguali solo per le prime due).
- Dire che esiste sempre un picco di risonanza: per il modulo è monotono.
- Usare queste relazioni per sistemi di ordine alto senza poli dominanti ben separati.
Versione ripasso
- Parametri in frequenza: (modulo in ), (massimo assoluto del modulo, se esiste), .
- Primo ordine : , , .
- Conclusioni (per ordine 1-2, ipotesi di 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 →, no zeri instabili): gradino monotono modulo monotono; gradino oscillante picco di risonanza; . Con zero instabile (: , s, prodotto ) non vale.
- Secondo ordine : , , , (solo ). : , dB; : , dB.
- Poli dominanti: gli altri poli volte più lontani approssimazione al 1°/2° ordine.
- Uso: ; ; poi in catena aperta (Margine di fase, banda e picco di risonanzaPer $G$ strettamente propria, senza poli instabili, con $K_B>0$ e $\omega_A$ ben definita, la banda di $W=\frac G{1+G}$ è molto vicina a $\omega_A$ ($B_p\approx\omega_A$) e il tempo di salita si stima con $t_r\approx\frac{2{,}3}{\omega_A}$. Il margine di fase controlla le oscillazioni: $|W(j\omega_A)|=\frac1{2\sin(m_\varphi/2)}$, che approssima il picco di risonanza; per $\frac{\omega_n^2}{s(s+2\xi\omega_n)}$ si ha $m_\varphi\approx100,\xi$ gradi. Specifiche tipiche: $m_\varphi\ge45^\circ$ per poche oscillazioni, $m_\varphi\approx90^\circ$ per risposta tipo primo ordine.Margine di fase, banda e picco di risonanza →).
- Errori: relazione con zeri instabili; vs vs ; picco sempre presente.