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Note per Studenti Esercizio 12 · luogo delle radici con zeri e poli doppi (temi d'esame luglio 2025 e gennaio 2023)

Esercizio 12luogo delle radici con zeri e poli doppi (temi d'esame luglio 2025 e gennaio 2023)

Esame
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Testo (temi d'esame luglio 2025, terzo appello, esercizio 2; stesso esercizio nel tema di gennaio 2023). Data la funzione di trasferimento G(s)=(s+1)2(s+3)2(s+2)2,G(s)=\frac{(s+1)^2}{(s+3)^2(s+2)^2}, si tracci il luogo delle radici positivo e negativo associato a G(s)G(s), calcolandone punti doppi, asintoti, intersezioni con l'asse immaginario e studiando di conseguenza la stabilità BIBO, al variare di KK sui numeri reali, del sistema retroazionato W(s)=KG(s)1+KG(s)W(s)=\dfrac{KG(s)}{1+KG(s)}.


Teoria usata: Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamentoPer $G=\frac{n(s)}{d(s)}$ (monici, coprimi, $n=\deg d\ge m=\deg n$) e $W_K=\frac{KG}{1+KG}$, il luogo positivo è l'insieme dei $s$ con $d(s)+Kn(s)=0$ per qualche $K>0$ (i poli di $W_K$ al variare di $K$). Regole: $n$ rami simmetrici rispetto all'asse reale, partono dai poli ($K=0$) e finiscono negli $m$ zeri o negli $n-m$ asintoti; un punto reale è nel luogo positivo se alla sua destra ci sono un numero dispari di poli+zeri reali (con molteplicità); asintoti con direzioni $\frac{(2i+1)\pi}{n-m}$ e centro $x_B=\frac{\sum p_i-\sum z_i}{n-m}$; il guadagno in un punto è $K=-\frac{d(s)}{n(s)}$.Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento →, Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginarioI punti doppi (multipli) del luogo sono i valori $s$ per cui $d+Kn$ ha una radice multipla: soddisfano $d'(s)n(s)-d(s)n'(s)=0$ con $K=-\frac{d}{n}$. Dall'equazione si tolgono le radici che sono poli o zeri multipli di $G$ (corrispondono a $K=0$ o $\infty$); una soluzione è punto doppio del luogo positivo (negativo) solo se $K(s)$ è reale positivo (negativo). Le intersezioni con l'asse immaginario si trovano da $d(j\omega)+Kn(j\omega)=0$ (due equazioni reali in $\omega,K$) o con la tabella di Routh in $K$ (riga nulla).Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario →, Luogo negativo delle radiciIl luogo negativo $\mathcal L_-$ ($K<0$) ha la condizione di fase con multipli pari di $\pi$: un punto reale è nel luogo negativo se alla sua destra ci sono un numero pari di poli+zeri reali; gli asintoti hanno direzioni $\frac{2i\pi}{n-m}$ ($i=0,\dots,n-m-1$) e lo stesso centro; punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario si trovano con le stesse equazioni, accettando $K<0$. Ogni punto reale (non polo/zero) appartiene esattamente a uno dei due luoghi.Luogo negativo delle radici →, Luogo delle radici - stabilità BIBO al variare di KPer studiare la stabilità BIBO di $W_K=\frac{KG}{1+KG}$ al variare di $K\in\mathbb R\setminus{0}$ si tracciano luogo positivo e negativo (rami, asse reale, asintoti, punti doppi con il segno di $K$, intersezioni con l'asse immaginario con il loro $K$) e si segue come i rami si muovono rispetto all'asse immaginario: il numero di poli in $\mathrm{Re}>0$ cambia solo agli attraversamenti. $W_K$ è BIBO stabile per i soli $K$ con tutti i rami in $\mathrm{Re}<0$; ai $K$ critici (attraversamento) ci sono poli immaginari. La tabella di Routh su $d+Kn$ dà gli stessi risultati.Luogo delle radici - stabilità BIBO al variare di K →, Criterio di Routh-HurwitzIl criterio di Routh stabilisce se un polinomio $P(s)=p_ns^n+\dots+p_0$ è di Hurwitz senza calcolarne le radici. Si costruisce la tabella (righe $n,n-1,\dots,0$) con $\text{nuovo}=\frac{\text{pivot}\cdot a-\text{prec.}\cdot b}{\text{pivot}}$; se la tabella va a compimento, il numero di variazioni di segno nella prima colonna è il numero di radici con $\mathrm{Re}>0$, le permanenze il numero con $\mathrm{Re}<0$. Elemento nullo in prima colonna: $P$ non è Hurwitz; riga nulla: radici simmetriche (spesso immaginarie) date dal polinomio ausiliario. Con parametro $K$ nei coefficienti dà gli intervalli di stabilità.Criterio di Routh-Hurwitz →.

1. Rami, punti di partenza e di arrivo

GG ha n=4n=4 poli (−3-3 doppio, −2-2 doppio) e m=2m=2 zeri (−1-1 doppio). In entrambi i luoghi ci sono 44 rami che partono dai poli (K→0K\to0); m=2m=2 finiscono negli zeri in −1-1, n−m=2n-m=2 vanno all'infinito.

2. Asse reale

Per ogni α\alpha reale che non sia polo o zero, i poli e zeri reali a destra contati con molteplicità sono sempre in numero pari, perché ogni radice è doppia: per α>−1\alpha>-1 sono 00; per α∈(−2,−1)\alpha\in(-2,-1) sono 22 (lo zero doppio); per α∈(−3,−2)\alpha\in(-3,-2) sono 44; per α<−3\alpha<-3 sono 66. Quindi tutto l'asse reale appartiene al luogo negativo e nessun suo punto (tranne i punti di partenza/arrivo) appartiene al luogo positivo.

3. Asintoti

n−m=2n-m=2. Centro xB=∑p−∑z2=(−3−3−2−2)−(−1−1)2=−10+22=−4x_B=\dfrac{\sum p-\sum z}2=\dfrac{(-3-3-2-2)-(-1-1)}2=\dfrac{-10+2}2=-4. Direzioni: luogo positivo ±π2\pm\frac\pi2 (asintoti verticali in Re=−4\mathrm{Re}=-4); luogo negativo 00 e π\pi (asse reale).

4. Punti doppi

Con n(s)=(s+1)2n(s)=(s+1)^2, d(s)=(s+3)2(s+2)2d(s)=(s+3)^2(s+2)^2 l'equazione dei candidati d′n−dn′=0d'n-dn'=0 si fattorizza in 2 (s+1)(s+2)(s+3) (s2+2s−1)=0.2\,(s+1)(s+2)(s+3)\,(s^2+2s-1)=0. I fattori s+1, s+2, s+3s+1,\ s+2,\ s+3 corrispondono a zeri e poli doppi di GG (punti di partenza o arrivo dei rami, con K=∞K=\infty o 00): non sono punti doppi. Resta s2+2s−1=0⇒s=−1±2s^2+2s-1=0\Rightarrow s=-1\pm\sqrt2, cioè α1=−1+2≈0,414\alpha_1=-1+\sqrt2\approx0{,}414 e α2=−1−2≈−2,414\alpha_2=-1-\sqrt2\approx-2{,}414. Si calcola K=−dnK=-\frac{d}{n}:

  • in α1\alpha_1: n=(2)2=2n=(\sqrt2)^2=2, d=(2+2)2(1+2)2=34+242d=(2+\sqrt2)^2(1+\sqrt2)^2=34+24\sqrt2, K=−(17+122)≈−33,97K=-(17+12\sqrt2)\approx-33{,}97;
  • in α2\alpha_2: n=2n=2, d=(2−2)2(1−2)2=34−242d=(2-\sqrt2)^2(1-\sqrt2)^2=34-24\sqrt2, K=−(17−122)≈−0,029K=-(17-12\sqrt2)\approx-0{,}029.

Entrambi i valori sono negativi: sono due punti doppi del luogo negativo, sull'asse reale (in (−3,−2)(-3,-2) il secondo, nel semiasse destro il primo). Il luogo positivo non ha punti doppi.

5. Intersezioni con l'asse immaginario

d(jω)=[(3+jω)(2+jω)]2=[(6−ω2)+5jω]2=(6−ω2)2−25ω2+10jω(6−ω2)d(j\omega)=\big[(3+j\omega)(2+j\omega)\big]^2=\big[(6-\omega^2)+5j\omega\big]^2=(6-\omega^2)^2-25\omega^2+10j\omega(6-\omega^2) e n(jω)=1−ω2+2jωn(j\omega)=1-\omega^2+2j\omega. L'equazione d(jω)+Kn(jω)=0d(j\omega)+Kn(j\omega)=0 dà {ω4−37ω2+36+K(1−ω2)=0,ω (60−10ω2+2K)=0.\begin{cases}\omega^4-37\omega^2+36+K(1-\omega^2)=0,\\ \omega\,(60-10\omega^2+2K)=0.\end{cases} La seconda ha le soluzioni (a) ω=0\omega=0 e (b) ω2=30+K5\omega^2=\frac{30+K}5.

  • (a) ω=0\omega=0 nella prima: 36+K=0⇒K=−3636+K=0\Rightarrow K=-36 (l'origine è un punto del luogo negativo).
  • (b) ω2=u=30+K5\omega^2=u=\frac{30+K}5, K=5u−30K=5u-30: sostituendo nella prima −4u2−2u+6=0  ⟺  2u2+u−3=0  ⟺  u=1-4u^2-2u+6=0\iff2u^2+u-3=0\iff u=1 oppure u=−32u=-\frac32. Con u=−32u=-\frac32 si avrebbe ω2<0\omega^2<0: scartata. Con u=1u=1: ω=1\omega=1 e K=5−30=−25K=5-30=-25.

Intersezioni: l'origine per K=−36K=-36 e ±j\pm j per K=−25K=-25, entrambe nel luogo negativo.

6. I due luoghi

Luogo positivo (K>0K>0). I rami che partono dai poli doppi si separano fuori dall'asse reale (non ci sono tratti reali): le due coppie complesse da −3-3 vanno verso gli asintoti verticali di centro −4-4; le due coppie da −2-2 vanno verso lo zero doppio −1-1. Tutti i rami restano in Re<0\mathrm{Re}<0 (nessuna intersezione con l'asse immaginario per K>0K>0).

Luogo negativo (K<0K<0). Contiene tutto l'asse reale. Dal polo doppio −3-3 un ramo va a −∞-\infty (asintoto di direzione π\pi) e uno verso −2-2; dal polo doppio −2-2 un ramo va verso −3-3 e uno verso lo zero −1-1 (che raggiunge direttamente). I due rami (−3→−2)(-3\to-2) e (−2→−3)(-2\to-3) si incontrano in α2=−2,414\alpha_2=-2{,}414 (K=−0,029K=-0{,}029), lasciano l'asse in direzione perpendicolare, attraversano l'asse immaginario in ±j\pm j per K=−25K=-25, passano nel semipiano destro e si incontrano di nuovo sull'asse reale in α1=0,414\alpha_1=0{,}414 (K=−33,97K=-33{,}97); da lì un ramo torna verso sinistra, passa per l'origine (K=−36K=-36) e finisce nello zero −1-1, l'altro va a +∞+\infty (asintoto di direzione 00).

7. Stabilità BIBO

KK Posizione dei poli di WW Poli in Re>0\mathrm{Re}>0
K>0K>0 tutti in Re<0\mathrm{Re}<0 00
−25<K<0-25<K<0 tutti in Re<0\mathrm{Re}<0 00
K=−25K=-25 coppia ±j\pm j e due reali negativi 00 (non BIBO)
−33,97<K<−25-33{,}97<K<-25 coppia complessa in Re>0\mathrm{Re}>0 22
−36<K<−33,97-36<K<-33{,}97 due radici reali positive 22
K=−36K=-36 una radice nell'origine, una positiva 11 (non BIBO)
K<−36K<-36 una radice reale positiva 11

Risposta. WW è BIBO stabile se e solo se K>−25K>-25 (con K≠0K\ne0). Controllo numerico: K=−24K=-24: poli −8,64, −1,26, −0,05±1,05j-8{,}64,\ -1{,}26,\ -0{,}05\pm1{,}05j (stabile); K=−25K=-25: ±j\pm j; K=−30K=-30: 0,24±0,68j0{,}24\pm0{,}68j (instabile); K=−35K=-35: due radici reali positive 0,810{,}81 e 0,100{,}10; K=−36K=-36: radice nell'origine e in 1,01{,}0; K=−37K=-37: una radice positiva 1,151{,}15.

Verifica con Routh

d(s)+Kn(s)=s4+10s3+(37+K)s2+(60+2K)s+(36+K)d(s)+Kn(s)=s^4+10s^3+(37+K)s^2+(60+2K)s+(36+K). Tabella: 4137+K36+K31060+2K231+0,8K36+K11,6 (K+25)(K+37,5)31+0,8K036+K\begin{array}{c|ccc}4&1&37+K&36+K\\3&10&60+2K&\\2&31+0{,}8K&36+K&\\1&\dfrac{1{,}6\,(K+25)(K+37{,}5)}{31+0{,}8K}&&\\0&36+K&&\end{array} (l'elemento della riga s1s^1 è (31+0,8K)(60+2K)−10(36+K)31+0,8K\frac{(31+0{,}8K)(60+2K)-10(36+K)}{31+0{,}8K} e il numeratore vale 1500+100K+1,6K2=1,6(K+25)(K+37,5)1500+100K+1{,}6K^2=1{,}6(K+25)(K+37{,}5)). Prima colonna: 1, 10, 31+0,8K, 1,6(K+25)(K+37,5)31+0,8K, 36+K1,\ 10,\ 31+0{,}8K,\ \frac{1{,}6(K+25)(K+37{,}5)}{31+0{,}8K},\ 36+K. Tutti positivi se e solo se K>−38,75K>-38{,}75, (K+25)(K+37,5)>0(K+25)(K+37{,}5)>0 e K>−36K>-36, cioè K>−25K>-25 ✓. Nell'intervallo −36<K<−25-36<K<-25 la riga s1s^1 è negativa: due variazioni, 2 poli instabili ✓; per K<−36K<-36 (con s0<0s^0<0) si ha una variazione sola ✓ (1 polo instabile).

Errori comuni

  • Scambiare i valori di KK nei due punti doppi: K=−dnK=-\frac dn (non −nd-\frac nd). In α1=0,414\alpha_1=0{,}414 (vicino agli zeri e lontano dai poli) KK è molto grande in modulo (−34-34), in α2=−2,414\alpha_2=-2{,}414 (tra i poli) è piccolo (−0,03-0{,}03).
  • Prendere s+1,s+2,s+3s+1,s+2,s+3 come punti doppi: sono zeri e poli doppi, K=∞K=\infty o 00.
  • Dimenticare di scartare la soluzione ω2=−32\omega^2=-\frac32 (con K=−37,5K=-37{,}5) nel calcolo delle intersezioni con l'asse immaginario.
  • Dimenticare che il luogo positivo non ha punti reali: i rami lasciano subito l'asse reale.
  • Includere K=−25K=-25 tra i valori di stabilità (con poli ±j\pm j non c'è BIBO).

Versione ripasso

Testo. G=(s+1)2(s+3)2(s+2)2G=\frac{(s+1)^2}{(s+3)^2(s+2)^2}: luogo positivo e negativo (punti doppi, asintoti, asse immaginario); stabilità di KG1+KG\frac{KG}{1+KG} (luglio 2025, gennaio 2023).

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