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Note per Studenti Esercizio 17 · luogo delle radici con zeri immaginari, Routh e controllore proporzionale con polo doppio (tema d'esame settembre 2024)

Esercizio 17luogo delle radici con zeri immaginari, Routh e controllore proporzionale con polo doppio (tema d'esame settembre 2024)

Esame
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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 G(s)=s2+1s2 (s2+2s+2),G(s)=\frac{s^2+1}{s^2\,(s^2+2s+2)}, 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 K∈RK\in\mathbb R del sistema retroazionato W(s)=KG(s)1+KG(s)W(s)=\dfrac{KG(s)}{1+KG(s)}. Suggerimento: il luogo non ha punti doppi complessi coniugati; per tracciare i due luoghi ci si aiuti con la tabella di Routh-Hurwitz di d(s)+Kn(s)d(s)+Kn(s), così da capire quanti sono i poli a parte reale positiva (instabili) di W(s)W(s) al variare di KK.

(b) Dato il processo G2(s)=s2+1(s+1)(s+10)G_2(s)=\dfrac{s^2+1}{(s+1)(s+10)}, si progetti un controllore proporzionale C(s)=KC(s)=K 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

n=4n=4 poli: 00 (doppio) e −1±j-1\pm j (complessi a parte reale negativa); m=2m=2 zeri: ±j\pm j (sull'asse immaginario). 44 rami partono dai poli, 22 finiscono negli zeri ±j\pm j, n−m=2n-m=2 vanno all'infinito.

Asse reale. Le uniche radici reali sono i poli in 00 (doppio): per α>0\alpha>0 ne ho 00 a destra, per α<0\alpha<0 ne ho 22: numero pari in ogni caso. Tutto l'asse reale appartiene al luogo negativo, nessun punto reale al positivo.

Asintoti. Centro xB=(0+0+(−1+j)+(−1−j))−(j+(−j))2=−2−02=−1x_B=\dfrac{(0+0+(-1+j)+(-1-j))-(j+(-j))}2=\dfrac{-2-0}2=-1. Direzioni: luogo positivo ±π2\pm\frac\pi2 (verticali, in Re=−1\mathrm{Re}=-1); luogo negativo 00 e π\pi.

2. Punti doppi

n=s2+1n=s^2+1, d=s4+2s3+2s2d=s^4+2s^3+2s^2: d′n−dn′=2s (s4+s3+2s2+3s+2)d'n-dn'=2s\,(s^4+s^3+2s^2+3s+2). La radice s=0s=0 è il polo doppio (K=0K=0): non è punto doppio. Le quattro radici del polinomio di quarto grado sono complesse: −0,830±0,482j-0{,}830\pm0{,}482j e 0,330±1,437j0{,}330\pm1{,}437j, con valori di K=−dnK=-\frac dn complessi (−0,424∓0,153j-0{,}424\mp0{,}153j e 0,924∓6,206j0{,}924\mp6{,}206j): non appartengono al luogo. Non ci sono punti doppi (come suggerisce il testo).

3. Intersezioni con l'asse immaginario

d+Kn=s4+2s3+(2+K)s2+Kd+Kn=s^4+2s^3+(2+K)s^2+K. In s=jωs=j\omega: ω4−2jω3−(2+K)ω2+K=0\omega^4-2j\omega^3-(2+K)\omega^2+K=0. Parte immaginaria −2ω3=0⇒ω=0-2\omega^3=0\Rightarrow\omega=0, poi parte reale K=0K=0. Nessuna intersezione con l'asse immaginario oltre all'origine per K=0K=0.

4. Routh: quanti poli instabili

Tabella di s4+2s3+(2+K)s2+0⋅s+Ks^4+2s^3+(2+K)s^2+0\cdot s+K: 412+KK32022+KK1−2K2+K0K\begin{array}{c|ccc}4&1&2+K&K\\3&2&0&\\2&2+K&K&\\1&-\dfrac{2K}{2+K}&&\\0&K&&\end{array} (il primo elemento di s2s^2 è 2(2+K)−1⋅02\frac{2(2+K)-1\cdot0}2; l'elemento di s1s^1 è (2+K)⋅0−2K2+K\frac{(2+K)\cdot0-2K}{2+K}).

  • K>0K>0: prima colonna +,+,+,−,++,+,+,-,+ (perché −2K2+K<0-\frac{2K}{2+K}<0): due variazioni, 2 poli instabili.
  • −2<K<0-2<K<0: +,+,+,+,−+,+,+,+,- (con s1s^1 positivo perché −2K>0-2K>0 e 2+K>02+K>0): una variazione, 1 polo instabile.
  • K<−2K<-2: 2+K<02+K<0: +,+,−,−,−+,+,-,-,- (l'elemento di s1s^1 è −2K2+K-\frac{2K}{2+K}, numeratore positivo e denominatore negativo): una variazione, 1 polo instabile. Il segno di KK distingue quindi i due casi: WW non è mai BIBO stabile.

5. I due luoghi

Luogo positivo. I due rami che partono dal polo doppio 00 escono dall'asse reale in direzione verticale e vanno agli zeri ±j\pm j, che raggiungono da destra (poli di WW con piccola parte reale positiva: per K=0,1K=0{,}1 0,022±0,215j0{,}022\pm0{,}215j; per K=1K=1 0,11±0,55j0{,}11\pm0{,}55j; per K=100K=100 0,01±0,995j0{,}01\pm0{,}995j). I due rami che partono da −1±j-1\pm j vanno all'infinito lungo gli asintoti verticali di centro −1-1 (per K=100K=100: −1,01±10,0j-1{,}01\pm10{,}0j). Quindi per K>0K>0: 2 poli in Re>0\mathrm{Re}>0, 2 in Re<0\mathrm{Re}<0.

Luogo negativo. Tutto l'asse reale: dal polo doppio 00 un ramo va a +∞+\infty (asintoto di direzione 00) e uno a −∞-\infty (direzione π\pi); i rami che partono da −1±j-1\pm j vanno agli zeri ±j\pm j dalla parte sinistra (per K=−10K=-10: −0,10±1,03j-0{,}10\pm1{,}03j, più i reali 2,302{,}30 e −4,10-4{,}10). Quindi per K<0K<0: 1 polo reale in Re>0\mathrm{Re}>0 (il ramo che va a +∞+\infty), 3 in Re<0\mathrm{Re}<0.

Risposta (a). WW non è mai BIBO stabile: 2 poli instabili per K>0K>0, 1 per K<0K<0. Controllo numerico: K=1K=1: 0,11±0,55j, −1,11±1,39j0{,}11\pm0{,}55j,\ -1{,}11\pm1{,}39j; K=−0,1K=-0{,}1: 0,2060{,}206 reale positivo e −0,263, −0,971±0,948j-0{,}263,\ -0{,}971\pm0{,}948j; K=−3K=-3: 1,108, −2,567, −0,271±0,991j1{,}108,\ -2{,}567,\ -0{,}271\pm0{,}991j.

Parte (b)

G2=s2+1(s+1)(s+10)G_2=\dfrac{s^2+1}{(s+1)(s+10)} ha n=m=2n=m=2 (poli −1,−10-1,-10; zeri ±j\pm j). Con C=KC=K i poli di WW sono le radici di d+Kn=(s+1)(s+10)+K(s2+1)=(1+K)s2+11s+(10+K).d+Kn=(s+1)(s+10)+K(s^2+1)=(1+K)s^2+11s+(10+K). Con il luogo positivo. Per α∈(−10,−1)\alpha\in(-10,-1) c'è una sola radice reale a destra (−1-1): il tratto (−10,−1)(-10,-1) appartiene al luogo positivo. I rami che partono da −10-10 e da −1-1 si incontrano nel suo interno in un punto doppio (poi escono verso gli zeri ±j\pm j): è lì che WW ha un polo reale doppio. Equazione dei candidati: d′n−dn′=(2s+11)(s2+1)−(s2+11s+10)(2s)=−11s2−18s+11=0⇒s=−9±20211d'n-dn'=(2s+11)(s^2+1)-(s^2+11s+10)(2s)=-11s^2-18s+11=0\Rightarrow s=\frac{-9\pm\sqrt{202}}{11}, cioè s=−2,110s=-2{,}110 e s=0,474s=0{,}474. Il primo sta in (−10,−1)(-10,-1) e ha K=−dn=−11+2022≈1,606>0K=-\frac dn=\frac{-11+\sqrt{202}}2\approx1{,}606>0: è il punto doppio del luogo positivo. Il secondo ha K=−12,6<0K=-12{,}6<0 (luogo negativo).

Con il discriminante. Un polo reale doppio richiede discriminante nullo: 121−4(1+K)(10+K)=0⇒4K2+44K−81=0⇒K=−11±2022121-4(1+K)(10+K)=0\Rightarrow4K^2+44K-81=0\Rightarrow K=\dfrac{-11\pm\sqrt{202}}2, cioè K=1,606K=1{,}606 oppure K=−12,6K=-12{,}6.

Stabilità. Con K=1,606K=1{,}606: (1+K)=2,606>0(1+K)=2{,}606>0, 11>011>0, 10+K=11,6>010+K=11{,}6>0: secondo grado con coefficienti positivi: Hurwitz; il polo doppio vale −112(1+K)=−2,110-\frac{11}{2(1+K)}=-2{,}110 ✓. Con K=−12,6K=-12{,}6: (1+K)<0(1+K)<0 e 11>011>0: non Hurwitz (il polo doppio è in −112(1+K)=+0,474>0\frac{-11}{2(1+K)}=+0{,}474>0).

Soluzione: C(s)=K=−11+2022≈1,606\boxed{C(s)=K=\dfrac{-11+\sqrt{202}}2\approx1{,}606}: sistema BIBO stabile con un polo reale doppio in s=−2,11s=-2{,}11 (verificato con il calcolo delle radici).

Errori comuni

  • Credere che le radici complesse del polinomio dei candidati siano punti doppi senza calcolare KK: qui KK è complesso.
  • Cercare intersezioni con l'asse immaginario con ω≠0\omega\ne0: la parte immaginaria −2ω3-2\omega^3 impone ω=0\omega=0.
  • Dedurre da K>0K>0 la stabilità: i due rami che vanno agli zeri ±j\pm j stanno in Re>0\mathrm{Re}>0.
  • In (b), prendere entrambe le soluzioni di 4K2+44K−81=04K^2+44K-81=0 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) G=s2+1s2(s2+2s+2)G=\frac{s^2+1}{s^2(s^2+2s+2)}: luogo approssimato, Routh, stabilità. (b) G2=s2+1(s+1)(s+10)G_2=\frac{s^2+1}{(s+1)(s+10)}, C=KC=K: BIBO stabile con polo reale doppio (settembre 2024).

Teoria collegata