Esercizio 12luogo delle radici con zeri e poli doppi (temi d'esame luglio 2025 e gennaio 2023)
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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 si tracci il luogo delle radici positivo e negativo associato a , calcolandone punti doppi, asintoti, intersezioni con l'asse immaginario e studiando di conseguenza la stabilità BIBO, al variare di sui numeri reali, del sistema retroazionato .
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
ha poli ( doppio, doppio) e zeri ( doppio). In entrambi i luoghi ci sono rami che partono dai poli (); finiscono negli zeri in , vanno all'infinito.
2. Asse reale
Per ogni 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 sono ; per sono (lo zero doppio); per sono ; per sono . 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
. Centro . Direzioni: luogo positivo (asintoti verticali in ); luogo negativo e (asse reale).
4. Punti doppi
Con , l'equazione dei candidati si fattorizza in I fattori corrispondono a zeri e poli doppi di (punti di partenza o arrivo dei rami, con o ): non sono punti doppi. Resta , cioè e . Si calcola :
- in : , , ;
- in : , , .
Entrambi i valori sono negativi: sono due punti doppi del luogo negativo, sull'asse reale (in il secondo, nel semiasse destro il primo). Il luogo positivo non ha punti doppi.
5. Intersezioni con l'asse immaginario
e . L'equazione dà La seconda ha le soluzioni (a) e (b) .
- (a) nella prima: (l'origine è un punto del luogo negativo).
- (b) , : sostituendo nella prima oppure . Con si avrebbe : scartata. Con : e .
Intersezioni: l'origine per e per , entrambe nel luogo negativo.
6. I due luoghi
Luogo positivo (). I rami che partono dai poli doppi si separano fuori dall'asse reale (non ci sono tratti reali): le due coppie complesse da vanno verso gli asintoti verticali di centro ; le due coppie da vanno verso lo zero doppio . Tutti i rami restano in (nessuna intersezione con l'asse immaginario per ).
Luogo negativo (). Contiene tutto l'asse reale. Dal polo doppio un ramo va a (asintoto di direzione ) e uno verso ; dal polo doppio un ramo va verso e uno verso lo zero (che raggiunge direttamente). I due rami e si incontrano in (), lasciano l'asse in direzione perpendicolare, attraversano l'asse immaginario in per , passano nel semipiano destro e si incontrano di nuovo sull'asse reale in (); da lì un ramo torna verso sinistra, passa per l'origine () e finisce nello zero , l'altro va a (asintoto di direzione ).
7. Stabilità BIBO
| Posizione dei poli di | Poli in | |
|---|---|---|
| tutti in | ||
| tutti in | ||
| coppia e due reali negativi | (non BIBO) | |
| coppia complessa in | ||
| due radici reali positive | ||
| una radice nell'origine, una positiva | (non BIBO) | |
| una radice reale positiva |
Risposta. è BIBO stabile se e solo se (con ). Controllo numerico: : poli (stabile); : ; : (instabile); : due radici reali positive e ; : radice nell'origine e in ; : una radice positiva .
Verifica con Routh
. Tabella: (l'elemento della riga è e il numeratore vale ). Prima colonna: . Tutti positivi se e solo se , e , cioè ✓. Nell'intervallo la riga è negativa: due variazioni, 2 poli instabili ✓; per (con ) si ha una variazione sola ✓ (1 polo instabile).
Errori comuni
- Scambiare i valori di nei due punti doppi: (non ). In (vicino agli zeri e lontano dai poli) è molto grande in modulo (), in (tra i poli) è piccolo ().
- Prendere come punti doppi: sono zeri e poli doppi, o .
- Dimenticare di scartare la soluzione (con ) 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 tra i valori di stabilità (con poli non c'è BIBO).
Versione ripasso
Testo. : luogo positivo e negativo (punti doppi, asintoti, asse immaginario); stabilità di (luglio 2025, gennaio 2023).
- Dati: , ; poli , zero . Asse reale: sempre numero pari tutto in , niente in (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 →). Asintoti: centro ; : ; : .
- Punti doppi (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 →): : tolti i fattori di zeri/poli doppi, con : (in ), (in ), entrambi .
- Asse immaginario: e : , .
- Luogo: tutto in ; : rami da e si incontrano in , attraversano (), si incontrano in , uno passa per () verso , l'altro va a (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 →).
- Stabilità (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 →): ; : 2 poli instabili; : 1. Routh: , riga (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 →).
- Errori: ; fattori doppi come punti doppi; non scartata; incluso.