Esercizio 15luogo delle radici con zeri doppi nell'origine e asse immaginario nel luogo (tema d'esame settembre 2025)
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Testo (tema d'esame settembre 2025, quarto appello, esercizio 2). 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, asse reale e asintoti
poli ( doppio e doppio, quindi due poli instabili) e zeri (l'origine, doppio). Dunque rami partono dai poli, finiscono nello zero doppio , vanno all'infinito.
Asse reale. Per ogni reale, i poli e zeri reali a destra sono in numero pari (ogni radice è doppia): : ; : (i poli in ); : ; : . Tutto l'asse reale appartiene al luogo negativo, nessun punto al positivo.
Asintoti. Centro : gli asintoti escono dall'origine. Direzioni: luogo positivo (coincidono con l'asse immaginario); luogo negativo e (coincidono con l'asse reale).
2. Punti doppi
Con , : . L'equazione dei candidati è Le radici (zero doppio, ) e (poli doppi, ) non sono punti doppi. Restano , con sono punti doppi del luogo positivo ().
3. Intersezioni con l'asse immaginario
. In il polinomio è reale: , cioè Per ogni esiste un che soddisfa l'equazione: ogni punto dell'asse immaginario appartiene al luogo positivo. Il valore minimo di è (in ): sull'asse immaginario il luogo esiste solo per . Per i quattro poli di sono tutti sull'asse immaginario: (due valori negativi distinti), cioè con .
4. I due luoghi
Luogo positivo. I due rami da (doppio) e i due da (doppio) lasciano l'asse reale, formano due archi nel semipiano sinistro e nel destro (simmetrici l'uno dell'altro rispetto all'asse immaginario perché dipende da ) e si incontrano a coppie in per . Da 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 : per tutti i poli sono sull'asse immaginario.
Luogo negativo. Contenuto nell'asse reale: da un ramo va a e uno a , da un ramo va a e uno a .
5. Stabilità BIBO
- : è complesso: quattro poli simmetrici rispetto all'origine, due in e due in (per : ).
- : doppio in .
- : quattro poli immaginari puri (per : ): non BIBO stabile, nessuno in .
- : ha due soluzioni positive (somma , prodotto ): i quattro poli sono reali, e , quindi due in (per : e ).
Risposta. non è mai BIBO stabile: per ogni ha almeno due poli a parte reale non negativa (due in per , quattro sull'asse immaginario per ).
Verifica con Routh
: i coefficienti di e 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 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 è un polinomio pari (dipende solo da ): le radici vengono in coppie , quindi se una è in l'opposta è in (o entrambe sull'asse): la stabilità è impossibile per ogni .
- Cercare asintoti verticali in : il centro è (i poli stanno in ).
- Scambiare e nel calcolo dei punti doppi: .
- Tracciare il luogo positivo solo nel semipiano sinistro: per la simmetria di rispetto a il luogo è simmetrico rispetto all'asse immaginario.
- Concludere "stabile per " perché i poli sono sull'asse e non nel semipiano destro: servono poli in stretto.
Versione ripasso
Testo. : luogo positivo e negativo; stabilità di (settembre 2025).
- Dati: , ; poli (due instabili); zero . Asse reale: sempre pari tutto 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 ; lungo l'asse immaginario (), lungo l'asse reale.
- 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 →): ; con ().
- Asse immaginario: : tutto l'asse immaginario è in (per quattro poli immaginari).
- Luogo: simmetrico rispetto a ; si chiude in (); sull'asse reale.
- 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 in ; : poli immaginari; : poli reali : mai stabile. Routh (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 →): , coefficienti di nulli.
- Errori: centro degli asintoti; ; luogo solo a sinistra; poli sull'asse come stabili.