Esercizio 17luogo delle radici con zeri immaginari, Routh e controllore proporzionale con polo doppio (tema d'esame settembre 2024)
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Testo (tema d'esame settembre 2024, quarto appello, esercizio 2 e punto iii dell'esercizio 3).
(a) Data la funzione di trasferimento è richiesto il tracciamento approssimato del luogo delle radici positivo e negativo, calcolando punti doppi, asintoti e intersezioni con l'asse immaginario, e la stabilità BIBO al variare di del sistema retroazionato . Suggerimento: il luogo non ha punti doppi complessi coniugati; per tracciare i due luoghi ci si aiuti con la tabella di Routh-Hurwitz di , così da capire quanti sono i poli a parte reale positiva (instabili) di al variare di .
(b) Dato il processo , si progetti un controllore proporzionale in modo tale che il risultante sistema retroazionato sia BIBO stabile con un polo reale doppio.
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 →.
Parte (a)
1. Dati, asse reale, asintoti
poli: (doppio) e (complessi a parte reale negativa); zeri: (sull'asse immaginario). rami partono dai poli, finiscono negli zeri , vanno all'infinito.
Asse reale. Le uniche radici reali sono i poli in (doppio): per ne ho a destra, per ne ho : numero pari in ogni caso. Tutto l'asse reale appartiene al luogo negativo, nessun punto reale al positivo.
Asintoti. Centro . Direzioni: luogo positivo (verticali, in ); luogo negativo e .
2. Punti doppi
, : . La radice è il polo doppio (): non è punto doppio. Le quattro radici del polinomio di quarto grado sono complesse: e , con valori di complessi ( e ): non appartengono al luogo. Non ci sono punti doppi (come suggerisce il testo).
3. Intersezioni con l'asse immaginario
. In : . Parte immaginaria , poi parte reale . Nessuna intersezione con l'asse immaginario oltre all'origine per .
4. Routh: quanti poli instabili
Tabella di : (il primo elemento di è ; l'elemento di è ).
- : prima colonna (perché ): due variazioni, 2 poli instabili.
- : (con positivo perché e ): una variazione, 1 polo instabile.
- : : (l'elemento di è , numeratore positivo e denominatore negativo): una variazione, 1 polo instabile. Il segno di distingue quindi i due casi: non è mai BIBO stabile.
5. I due luoghi
Luogo positivo. I due rami che partono dal polo doppio escono dall'asse reale in direzione verticale e vanno agli zeri , che raggiungono da destra (poli di con piccola parte reale positiva: per ; per ; per ). I due rami che partono da vanno all'infinito lungo gli asintoti verticali di centro (per : ). Quindi per : 2 poli in , 2 in .
Luogo negativo. Tutto l'asse reale: dal polo doppio un ramo va a (asintoto di direzione ) e uno a (direzione ); i rami che partono da vanno agli zeri dalla parte sinistra (per : , più i reali e ). Quindi per : 1 polo reale in (il ramo che va a ), 3 in .
Risposta (a). non è mai BIBO stabile: 2 poli instabili per , 1 per . Controllo numerico: : ; : reale positivo e ; : .
Parte (b)
ha (poli ; zeri ). Con i poli di sono le radici di Con il luogo positivo. Per c'è una sola radice reale a destra (): il tratto appartiene al luogo positivo. I rami che partono da e da si incontrano nel suo interno in un punto doppio (poi escono verso gli zeri ): è lì che ha un polo reale doppio. Equazione dei candidati: , cioè e . Il primo sta in e ha : è il punto doppio del luogo positivo. Il secondo ha (luogo negativo).
Con il discriminante. Un polo reale doppio richiede discriminante nullo: , cioè oppure .
Stabilità. Con : , , : secondo grado con coefficienti positivi: Hurwitz; il polo doppio vale ✓. Con : e : non Hurwitz (il polo doppio è in ).
Soluzione: : sistema BIBO stabile con un polo reale doppio in (verificato con il calcolo delle radici).
Errori comuni
- Credere che le radici complesse del polinomio dei candidati siano punti doppi senza calcolare : qui è complesso.
- Cercare intersezioni con l'asse immaginario con : la parte immaginaria impone .
- Dedurre da la stabilità: i due rami che vanno agli zeri stanno in .
- In (b), prendere entrambe le soluzioni di come valide: solo quella con tutti i coefficienti positivi dà un sistema BIBO stabile.
- Dimenticare di verificare la stabilità dopo aver trovato il polo doppio.
Versione ripasso
Testo. (a) : luogo approssimato, Routh, stabilità. (b) , : BIBO stabile con polo reale doppio (settembre 2024).
- (a) Dati (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 →): , ; poli ; zeri . Asse reale: tutto in . 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 →): : radici complesse con complesso: nessun punto doppio. Asse immaginario: nessuna oltre l'origine ().
- 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 →): ; prima colonna : 2 variazioni; 1 variazione.
- Luogo: : da agli zeri da destra (), da agli asintoti; : asse reale (un ramo a ). Mai stabile: 2 poli instabili per , 1 per (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 →).
- (b) ; punto doppio in : , , (discriminante nullo ); coefficienti positivi: stabile.
- Errori: radici complesse come punti doppi; ; = stabile; seconda soluzione di (b); stabilità non verificata.