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Note per Studenti Tracciare i diagrammi di Bode di una funzione di trasferimento

Tracciare i diagrammi di Bode di una funzione di trasferimento

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Con i termini elementari (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 →) il tracciamento diventa una procedura meccanica, la prima richiesta di quasi tutti i compiti d'esame (Esercizio 6 · diagramma di Bode e di Nyquist di una funzione con zeri immaginari e poli instabili (tema d'esame luglio 2025) e successivi). Ecco i passi.

Procedura

  1. Forma di Bode. Fattorizzare G(s)G(s) e portare ogni fattore a termine noto 11; raccogliere la costante KBK_B (con segno) e il numero hh di poli nell'origine. Annotare: zeri e poli reali (con segno), coppie complesse (ωn,ξ\omega_n,\xi), radici instabili.
  2. Pulsazioni di spezzamento. Elencare in ordine crescente 1∣Ti∣\frac1{|T_i|} e ωn,i\omega_{n,i}, segnando per ciascuna se è zero o polo, semplice o doppia.
  3. Modulo asintotico.
    • Per ω→0+\omega\to0^+: retta di pendenza −20h-20h dB/dec, che passa per 20log⁡10∣KB∣20\log_{10}|K_B| dB in ω=1\omega=1 rad/s (anche se 11 è fuori dalla zona di interesse: la retta si prolunga). Se h=0h=0 il modulo parte da 20log⁡10∣KB∣20\log_{10}|K_B|.
    • Ad ogni pulsazione di spezzamento la pendenza cambia di +20+20 dB/dec (zero reale), −20-20 (polo reale), +40+40 (coppia di zeri complessi), −40-40 (coppia di poli complessi).
    • Per trovare il valore in un punto qualsiasi si percorre la retta: la variazione tra due pulsazioni ωa<ωb\omega_a<\omega_b vale (pendenza) ×log⁡10ωbωa\times\log_{10}\frac{\omega_b}{\omega_a}.
  4. Fase.
    • Valore iniziale: arg⁡KB\arg K_B (00 o 180∘180^\circ) −90∘h-90^\circ h.
    • Per ogni radice, una variazione di ±90∘\pm90^\circ (reale) o ±180∘\pm180^\circ (coppia complessa): zero stabile ++, polo stabile −-, zero instabile −-, polo instabile ++. Si disegna la variazione distribuita su circa due decadi attorno alla pulsazione di spezzamento (a tratti: da 0,1ωi0{,}1\omega_i a 10ωi10\omega_i).
    • Radici immaginarie pure ±jω0\pm j\omega_0: salto istantaneo di +180∘+180^\circ per gli zeri, −180∘-180^\circ per i poli, in ω0\omega_0.
  5. Correzioni. In ogni spezzamento reale il modulo è 33 dB sopra (zero) o sotto (polo) l'asintoto; per le coppie complesse c'è il picco di antirisonanza o di risonanza (20log⁡2ξ20\log2\xi dB in ωn\omega_n se ξ<12\xi<\frac12) e la fase cambia più bruscamente quanto più ξ\xi è piccolo. Per ξ=0\xi=0 il picco è infinito.

Esempio 1: funzione a fase minima

G1(s)=100 (1+s)s (1+s10)(1+s1000).G_1(s)=\frac{100\,(1+s)}{s\,(1+\frac s{10})(1+\frac s{1000})}. Forma di Bode: già in forma, KB=100K_B=100 (4040 dB), h=1h=1 (un polo nell'origine); zero stabile in 11; poli stabili in 1010 e 10001000.

Modulo asintotico. Per ω<1\omega<1 la pendenza è −20-20 dB/dec e passa per 4040 dB in ω=1\omega=1 (cioè 6060 dB in 0,10{,}1, 8080 dB in 0,010{,}01). In ω=1\omega=1 lo zero porta la pendenza a 00: il modulo resta a 4040 dB fino a ω=10\omega=10. In 1010 il primo polo riporta a −20-20 dB/dec: in 100100 vale 2020 dB, in 10001000 vale 00 dB. In 10001000 il secondo polo dà −40-40 dB/dec.

Fase. Parte da −90∘-90^\circ (polo nell'origine). Lo zero in 11 sale di 90∘90^\circ (da 0,10{,}1 a 1010), il polo in 1010 scende di 90∘90^\circ (da 11 a 100100), il polo in 10001000 scende di 90∘90^\circ (da 100100 a 10410^4). Valori esatti: −84,9∘-84{,}9^\circ in 0,10{,}1; −50,8∘-50{,}8^\circ in 11; −51,3∘-51{,}3^\circ in 1010; −90,6∘-90{,}6^\circ in 100100; −134,5∘-134{,}5^\circ in 10001000.

ω\omega (rad/s) 0,10{,}1 11 1010 100100 10001000 10410^4
asintotico (dB) 6060 4040 4040 2020 00 −40-40
esatto (dB) 60,0460{,}04 42,9742{,}97 37,0337{,}03 19,9119{,}91 −3,01-3{,}01 −40,04-40{,}04

Gli scarti di circa ±3\pm3 dB sono nelle pulsazioni di spezzamento (11, 1010 ma anche 10001000), come previsto.

Grafico interattivo: Modulo asintotico (dB) di G1 in funzione di log10(ω): −20 dB/dec fino a ω = 1, piatto a 40 dB fino a 10, −20 dB/dec fino a 1000, poi −40 dB/dec

Grafico interattivo: Fase esatta (gradi) di G1 in funzione di log10(ω): −90°, risale fino a circa −51° e poi scende verso −180°

Esempio 2: zero instabile (fase non minima)

G2(s)=10 (1−s)s (1+s10).G_2(s)=\frac{10\,(1-s)}{s\,(1+\frac s{10})}. KB=10K_B=10 (2020 dB), h=1h=1, zero instabile in 11, polo stabile in 1010. Il modulo è −20-20 dB/dec fino a ω=1\omega=1 (passando per 2020 dB in ω=1\omega=1), piatto a 2020 dB fino a 1010, poi −20-20 dB/dec: in 100100 vale 00 dB. Il modulo è identico a quello della funzione 10(1+s)s(1+s/10)\frac{10(1+s)}{s(1+s/10)} con lo zero stabile. La fase invece parte da −90∘-90^\circ, lo zero instabile la porta giù di altri 90∘90^\circ (in ω=1\omega=1: −140,7∘-140{,}7^\circ) e il polo in 1010 di altri 90∘90^\circ: tende a −270∘-270^\circ (valori esatti −219,3∘-219{,}3^\circ in 1010, −263,7∘-263{,}7^\circ in 100100).

Grafico interattivo: Fase esatta (gradi) di G2 in funzione di log10(ω): da −90° a −270° (zero instabile: la fase scende invece di salire)

Come leggere un diagramma di Bode

Errori comuni

  • Dimenticare che la retta iniziale −20h-20h dB/dec passa per 20log⁡∣KB∣20\log|K_B| in ω=1\omega=1 e non in ω=0\omega=0.
  • Cambiare la pendenza della fase invece di aggiungere un contributo: la fase è una somma di contributi, non una spezzata che si "rimbalza".
  • Attribuire fase positiva a uno zero instabile: sale solo quello stabile.
  • Non contare i poli nell'origine nella fase iniziale: −90∘h-90^\circ h.
  • Dimenticare il segno di KBK_B nella fase iniziale.

Versione ripasso

  1. Forma di Bode (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 →): KBK_B (con segno), hh, zeri/poli reali e trinomi, radici instabili.
  2. Spezzamenti in ordine crescente.
  3. Modulo asintotico: pendenza iniziale −20h-20h dB/dec per 20log⁡∣KB∣20\log|K_B| in ω=1\omega=1; poi +20+20 (zero), −20-20 (polo), ±40\pm40 (coppie) a ogni spezzamento; variazione == pendenza ×\times decadi.
  4. Fase: arg⁡KB−90∘h\arg K_B-90^\circ h; zero stabile +90∘+90^\circ, polo stabile −90∘-90^\circ, zero instabile −90∘-90^\circ, polo instabile +90∘+90^\circ (su 2 decadi); radici immaginarie: salto ±180∘\pm180^\circ.
  5. Correzioni: ±3\pm3 dB agli spezzamenti reali; 20log⁡2ξ20\log2\xi dB in ωn\omega_n.
  • Esempio 1 G1=100(1+s)s(1+s/10)(1+s/1000)G_1=\frac{100(1+s)}{s(1+s/10)(1+s/1000)}: 4040 dB in 11, piatto fino a 1010, 2020 dB in 100100, 00 dB in 10001000; fase −90∘→−51∘→−135∘-90^\circ\to-51^\circ\to-135^\circ (in 10001000).
  • Esempio 2 G2=10(1−s)s(1+s/10)G_2=\frac{10(1-s)}{s(1+s/10)}: stesso modulo dello zero stabile; fase −90∘→−270∘-90^\circ\to-270^\circ (fase non minima).
  • Errori: retta per ω=1\omega=1; fase come spezzata; zero instabile con fase positiva; hh e segno di KBK_B dimenticati.

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata