Salta al contenuto
Note per Studenti Esercizio 15 · luogo delle radici con zeri doppi nell'origine e asse immaginario nel luogo (tema d'esame settembre 2025)

Esercizio 15luogo delle radici con zeri doppi nell'origine e asse immaginario nel luogo (tema d'esame settembre 2025)

Esame
In questa pagina 7

Testo (tema d'esame settembre 2025, quarto appello, esercizio 2). Data la funzione di trasferimento G(s)=s2(s+1)2(s−1)2,G(s)=\frac{s^2}{(s+1)^2(s-1)^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, asse reale e asintoti

n=4n=4 poli (−1-1 doppio e +1+1 doppio, quindi due poli instabili) e m=2m=2 zeri (l'origine, doppio). Dunque 44 rami partono dai poli, 22 finiscono nello zero doppio 00, n−m=2n-m=2 vanno all'infinito.

Asse reale. Per ogni α\alpha reale, i poli e zeri reali a destra sono in numero pari (ogni radice è doppia): α>1\alpha>1: 00; α∈(0,1)\alpha\in(0,1): 22 (i poli in 11); α∈(−1,0)\alpha\in(-1,0): 44; α<−1\alpha<-1: 66. Tutto l'asse reale appartiene al luogo negativo, nessun punto al positivo.

Asintoti. Centro xB=(−1−1+1+1)−(0+0)2=0x_B=\dfrac{(-1-1+1+1)-(0+0)}2=0: gli asintoti escono dall'origine. Direzioni: luogo positivo ±π2\pm\frac\pi2 (coincidono con l'asse immaginario); luogo negativo 00 e π\pi (coincidono con l'asse reale).

2. Punti doppi

Con n=s2n=s^2, d=(s2−1)2=s4−2s2+1d=(s^2-1)^2=s^4-2s^2+1: d′n−dn′=4s(s2−1) s2−(s2−1)2 2s=2s(s2−1)[2s2−(s2−1)]=2s(s2−1)(s2+1)d'n-dn'=4s(s^2-1)\,s^2-(s^2-1)^2\,2s=2s(s^2-1)\big[2s^2-(s^2-1)\big]=2s(s^2-1)(s^2+1). L'equazione dei candidati è 2 s (s−1)(s+1)(s2+1)=0.2\,s\,(s-1)(s+1)(s^2+1)=0. Le radici s=0s=0 (zero doppio, K=∞K=\infty) e s=±1s=\pm1 (poli doppi, K=0K=0) non sono punti doppi. Restano s=±js=\pm j, con K=−d(±j)n(±j)=−((±j)2−1)2(±j)2=−(−2)2−1=4>0:K=-\frac{d(\pm j)}{n(\pm j)}=-\frac{\big((\pm j)^2-1\big)^2}{(\pm j)^2}=-\frac{(-2)^2}{-1}=4>0: ±j\pm j sono punti doppi del luogo positivo (K=4K=4).

3. Intersezioni con l'asse immaginario

d+Kn=s4+(K−2)s2+1d+Kn=s^4+(K-2)s^2+1. In s=jωs=j\omega il polinomio è reale: ω4−(K−2)ω2+1=0\omega^4-(K-2)\omega^2+1=0, cioè K=ω4+2ω2+1ω2=(ω2+1)2ω2.K=\frac{\omega^4+2\omega^2+1}{\omega^2}=\frac{(\omega^2+1)^2}{\omega^2}. Per ogni ω>0\omega>0 esiste un K>0K>0 che soddisfa l'equazione: ogni punto dell'asse immaginario appartiene al luogo positivo. Il valore minimo di KK è 44 (in ω=1\omega=1): sull'asse immaginario il luogo esiste solo per K≥4K\ge4. Per K>4K>4 i quattro poli di WW sono tutti sull'asse immaginario: s2=(2−K)±(K−2)2−42<0s^2=\frac{(2-K)\pm\sqrt{(K-2)^2-4}}2<0 (due valori negativi distinti), cioè s=±jω1, ±jω2s=\pm j\omega_1,\ \pm j\omega_2 con ω1ω2=1\omega_1\omega_2=1.

4. I due luoghi

Luogo positivo. I due rami da −1-1 (doppio) e i due da +1+1 (doppio) lasciano l'asse reale, formano due archi nel semipiano sinistro e nel destro (simmetrici l'uno dell'altro rispetto all'asse immaginario perché d+Knd+Kn dipende da s2s^2) e si incontrano a coppie in ±j\pm j per K=4K=4. Da ±j\pm j due rami vanno verso l'origine (zeri), salendo e scendendo lungo l'asse immaginario, e due vanno all'infinito lungo l'asse immaginario con direzioni ±π2\pm\frac\pi2: per K>4K>4 tutti i poli sono sull'asse immaginario.

Luogo negativo. Contenuto nell'asse reale: da −1-1 un ramo va a −∞-\infty e uno a 00, da +1+1 un ramo va a 00 e uno a +∞+\infty.

5. Stabilità BIBO

  • 0<K<40<K<4: s2=(2−K)±j4−(K−2)22s^2=\frac{(2-K)\pm j\sqrt{4-(K-2)^2}}{2} è complesso: quattro poli simmetrici rispetto all'origine, due in Re>0\mathrm{Re}>0 e due in Re<0\mathrm{Re}<0 (per K=1K=1: ±0,866±0,5j\pm0{,}866\pm0{,}5j).
  • K=4K=4: doppio in ±j\pm j.
  • K>4K>4: quattro poli immaginari puri (per K=5K=5: ±0,618j, ±1,618j\pm0{,}618j,\ \pm1{,}618j): non BIBO stabile, nessuno in Re>0\mathrm{Re}>0.
  • K<0K<0: s2=(2−K)±(K−2)2−42s^2=\frac{(2-K)\pm\sqrt{(K-2)^2-4}}2 ha due soluzioni positive (somma 2−K>02-K>0, prodotto 11): i quattro poli sono reali, ±σ1\pm\sigma_1 e ±σ2\pm\sigma_2, quindi due in Re>0\mathrm{Re}>0 (per K=−1K=-1: ±1,618\pm1{,}618 e ±0,618\pm0{,}618).

Risposta. WW non è mai BIBO stabile: per ogni K≠0K\ne0 ha almeno due poli a parte reale non negativa (due in Re>0\mathrm{Re}>0 per K<4K<4, quattro sull'asse immaginario per K≥4K\ge4).

Verifica con Routh

d+Kn=s4+(K−2)s2+1d+Kn=s^4+(K-2)s^2+1: i coefficienti di s3s^3 e s1s^1 sono nulli, quindi la seconda riga della tabella è nulla fin dall'inizio: con un polinomio pari non c'è mai stabilità asintotica e la tabella non fornisce altro (il polinomio ausiliario s4+(K−2)s2+1s^4+(K-2)s^2+1 coincide con il polinomio stesso). Per la regola di Cartesio un polinomio con coefficienti nulli non può essere di Hurwitz ✓.

Errori comuni

  • Non accorgersi che d+Knd+Kn è un polinomio pari (dipende solo da s2s^2): le radici vengono in coppie ±s\pm s, quindi se una è in Re<0\mathrm{Re}<0 l'opposta è in Re>0\mathrm{Re}>0 (o entrambe sull'asse): la stabilità è impossibile per ogni KK.
  • Cercare asintoti verticali in Re=−1\mathrm{Re}=-1: il centro è 00 (i poli stanno in ±1\pm1).
  • Scambiare KK e 1K\frac1K nel calcolo dei punti doppi: K=−dnK=-\frac dn.
  • Tracciare il luogo positivo solo nel semipiano sinistro: per la simmetria di d+Knd+Kn rispetto a s→−ss\to-s il luogo è simmetrico rispetto all'asse immaginario.
  • Concludere "stabile per K>4K>4" perché i poli sono sull'asse e non nel semipiano destro: servono poli in Re<0\mathrm{Re}<0 stretto.

Versione ripasso

Testo. G=s2(s+1)2(s−1)2G=\frac{s^2}{(s+1)^2(s-1)^2}: luogo positivo e negativo; stabilità di KG1+KG\frac{KG}{1+KG} (settembre 2025).

Teoria collegata