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
- Forma di Bode. Fattorizzare e portare ogni fattore a termine noto ; raccogliere la costante (con segno) e il numero di poli nell'origine. Annotare: zeri e poli reali (con segno), coppie complesse (), radici instabili.
- Pulsazioni di spezzamento. Elencare in ordine crescente e , segnando per ciascuna se è zero o polo, semplice o doppia.
- Modulo asintotico.
- Per : retta di pendenza dB/dec, che passa per dB in rad/s (anche se è fuori dalla zona di interesse: la retta si prolunga). Se il modulo parte da .
- Ad ogni pulsazione di spezzamento la pendenza cambia di dB/dec (zero reale), (polo reale), (coppia di zeri complessi), (coppia di poli complessi).
- Per trovare il valore in un punto qualsiasi si percorre la retta: la variazione tra due pulsazioni vale (pendenza) .
- Fase.
- Valore iniziale: ( o ) .
- Per ogni radice, una variazione di (reale) o (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 a ).
- Radici immaginarie pure : salto istantaneo di per gli zeri, per i poli, in .
- Correzioni. In ogni spezzamento reale il modulo è dB sopra (zero) o sotto (polo) l'asintoto; per le coppie complesse c'è il picco di antirisonanza o di risonanza ( dB in se ) e la fase cambia più bruscamente quanto più è piccolo. Per il picco è infinito.
Esempio 1: funzione a fase minima
Forma di Bode: già in forma, ( dB), (un polo nell'origine); zero stabile in ; poli stabili in e .
Modulo asintotico. Per la pendenza è dB/dec e passa per dB in (cioè dB in , dB in ). In lo zero porta la pendenza a : il modulo resta a dB fino a . In il primo polo riporta a dB/dec: in vale dB, in vale dB. In il secondo polo dà dB/dec.
Fase. Parte da (polo nell'origine). Lo zero in sale di (da a ), il polo in scende di (da a ), il polo in scende di (da a ). Valori esatti: in ; in ; in ; in ; in .
| (rad/s) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| asintotico (dB) | ||||||
| esatto (dB) |
Gli scarti di circa dB sono nelle pulsazioni di spezzamento (, ma anche ), 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)
( dB), , zero instabile in , polo stabile in . Il modulo è dB/dec fino a (passando per dB in ), piatto a dB fino a , poi dB/dec: in vale dB. Il modulo è identico a quello della funzione con lo zero stabile. La fase invece parte da , lo zero instabile la porta giù di altri (in : ) e il polo in di altri : tende a (valori esatti in , in ).
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
- Guadagno a bassa frequenza: il livello del modulo per (se ) è .
- Pulsazione di attraversamento : dove il modulo vale dB (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 →).
- Banda passante e picco di risonanza: letti sul modulo di (Risposta al gradino e risposta in frequenza - sistemi del primo e del secondo ordineParametri della risposta in frequenza: banda passante $B_p$ (modulo entro $3$ dB da $|W(0)|$), pulsazione di risonanza $\omega_r$, picco di risonanza $M_r$. Per sistemi del 1° e 2° ordine strettamente propri, BIBO stabili, con $W(0)\ne0$ e senza zeri instabili: risposta al gradino monotona $\Leftrightarrow$ modulo monotono (niente picco); oscillazioni $\Leftrightarrow$ picco di risonanza; $B_p,t_r\approx2{,}3$ (proporzionalità inversa). Per $\frac{\omega_n^2}{s^2+2\xi\omega_ns+\omega_n^2}$: $S=100e^{-\pi\xi/\sqrt{1-\xi^2}}$, $M_r=\frac1{2\xi\sqrt{1-\xi^2}}$.Risposta al gradino e risposta in frequenza - sistemi del primo e del secondo ordine →).
- Il passaggio al diagramma di Nyquist usa modulo e fase insieme: per ogni un punto di modulo e fase letti dai due diagrammi (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 →).
Errori comuni
- Dimenticare che la retta iniziale dB/dec passa per in e non in .
- 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: .
- Dimenticare il segno di nella fase iniziale.
Versione ripasso
- 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 →): (con segno), , zeri/poli reali e trinomi, radici instabili.
- Spezzamenti in ordine crescente.
- Modulo asintotico: pendenza iniziale dB/dec per in ; poi (zero), (polo), (coppie) a ogni spezzamento; variazione pendenza decadi.
- Fase: ; zero stabile , polo stabile , zero instabile , polo instabile (su 2 decadi); radici immaginarie: salto .
- Correzioni: dB agli spezzamenti reali; dB in .
- Esempio 1 : dB in , piatto fino a , dB in , dB in ; fase (in ).
- Esempio 2 : stesso modulo dello zero stabile; fase (fase non minima).
- Errori: retta per ; fase come spezzata; zero instabile con fase positiva; e segno di dimenticati.