Cristian Secchi Pag. 1

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1 CONTROLLI DIGITALI Laurea Magistrale in Ingegneria Meccatronica SISTEMI A TEMPO DISCRETO Ing. Tel cristian.secchi@unimore.it Richiami di Controlli Automatici Il comportamento ingresso-uscita dei sistemi a tempo continuo può essere descritto da equazioni differenziali, che in generale hanno la forma: Molti sistemi di interesse possono essere descritti da equazioni differenziali lineari a parametri concentrati caratterizzate dalla seguente forma semplificata. I sistemi descritti da queste equazioni sono detti sistemi Lineari Tempo Invarianti (LTI). Se il sistema che si sta modellando è caratterizzato da un solo ingresso e una sola uscita, si parlerà di sistemi single input single output (SISO). CD Pag. 1

2 Richiami di Controlli Automatici Nel corso di Controlli Automatici sono stati trattati sistemi LTI SISO. E possibile passare da una rappresentazione nel dominio dei tempi a una nel dominio complesso e viceversa tramite le operazioni di Trasformata e Antitrasformata di Laplace. Il vantaggio principale nel passare al dominio complesso è che un equazione differenziale viene trasformata in un equazione algebrica più semplice da gestire. CD Richiami di Controlli Automatici Un sistema LTI-SISO può essere descritto nel dominio complesso tramite una Funzione di Trasferimento. La rappresentazione mediante funzione di trasferimento è molto comoda e ha consentito di sviluppare un analisi approfondita del comportamento del sistema, un analisi delle specifiche e svariate tecniche per il progetto di controllori. CD Pag. 2

3 Richiami di Controlli Automatici Lo schema di controllo finale è: r(t) e(t) G c (s) u(t) G p (s) y(t) - Sia il plant che il controllore sono rappresentati da funzioni di trasferimento e, quindi, sono sistemi a tempo continuo. Ma l azione di controllo deve essere implementata su un calcolatore che è un sistema a tempo discreto Occorre sviluppare un framework per la modellazione dei sistemi discreti in modo da poter costruire un azione di controllo che sia implementabile su di un sistema a microprocessore. CD Descrizione di Sistemi a tempo discreto SISTEMI TEMPO-CONTINUI Equazioni differenziali A/D SISTEMI TEMPO-DISCRETI Equazioni alle differenze Trasformata di Laplace D/A Trasformata Z CD Pag. 3

4 Equazioni alle differenze Si supponga di voler elaborare una sequenza di dati discreti e k =e(kt), con k=0,1,2,, per ottenere una sequenza u k =u(kt). Elaborazione In generale: Se la funzione f() è lineare e dipendente solo da un valore finito di valori passati idi u k ed e k, l elaborazione l può essere rappresentata da: equazione lineare alle differenze di ordine n CD Equazioni alle differenze Come per le equazioni differenziali lineari, esiste un metodo per trovare la soluzione in forma chiusa di un equazione alle differenze lineare. Tuttavia, nell ambito dei controlli digitali, ci interesserà molto di più ottenere una forma ricorsiva : e k μp Memoria u k-1 u k-2 u k-3 u k-n e k-1 e k-2 e k-3 u k-m u k Ad ogni istante k, dato un ingresso e k è possibile calcolare, usando i dati in memoria, l uscita u k. CD Pag. 4

5 La trasformata Z La trasformata Z è un metodo utilizzato per studiare i sistemi discreti. Essa rappresenta essenzialmente l'analogo della trasformata di Laplace per i sistemi continui. DEFINIZIONE: Sia data una sequenza di valori x k R, definita per k = 0, 1, 2, e nulla per k < 0. La Z-trasformata (unilatera) della sequenza x k è la funzione di variabile complessa z definita come: La Z-trasformata è definita in una regione del piano complesso z detta dominio di convergenza, cioè nell'insieme dei punti z per i quali la serie converge. CD La trasformata Zeta Nel caso in cui la sequenza di valori x k sia ottenuta campionando uniformemente con periodo T un segnale continuo descritto dalla funzione x(t), t 0, si avrà che x k = x(kt) (o più semplicemente x k = x(k), k = t/t = 0, 1, 2, ) e corrispondentemente si scriverà DIPENDE DAL PERIODO (T) DI CAMPIONAMENTO CD Pag. 5

6 La Z-trasformata Nell ambito dei controlli digitali, X(z) avrà spesso un espressione razionale fratta: p 1, p 2,, p n sono i poli di X(z) mentre z 1,z 2,,z m sono gli zeri di X(z) CD La Z-trasformata Raccogliendo z n sia al numeratore che al denominatore si ottiene una rappresentazione più utilizzata nelle applicazioni controllistiche in cui compaiono solo potenze di z -1 : CD Pag. 6

7 La Z-trasformata Funzioni elementari Impulso discreto unitario. Sia data la funzione, detta anche funzione delta di Kronecker δ 0 (t): Gradino unitario. Sia data la funzione Serie convergente per z > 1 CD La Z-trasformata Funzioni elementari Rampa unitaria. Si consideri la funzione rampa unitaria: Poichè x(kt) = kt, k = 0, 1, 2,, la Z-trasformata è Serie convergente per z > 1 CD Pag. 7

8 La Z-trasformata Funzioni elementari Funzione potenza a k. Sia data la funzione: a costante reale o complessa Dalla definizione si ha Serie convergente per z > a CD La Z-trasformata Le trasformate delle funzioni di maggior interesse sono solitamente riportate in tabelle che vengono consultate per la determinazione di Z- trasformate di funzione generiche, in modo analogo a quanto avviene per le tabelle delle trasformate di Laplace. Tramite le tabelle si possono determinare le Z-trasformate di funzioni di maggior complessità, scomponendo tali funzioni in somme di funzioni più semplici e ricomponendo successivamente le corrispondenti Z-trasformate. Esempio: Determinare la Z-trasformata di CD Pag. 8

9 Tabelle delle Z-Trasformate CD Tabelle delle Z-Trasformate CD Pag. 9

10 La Z-trasformata Dato un segnale x(t) e il periodo di campionamento T, si ottiene una unica X(z) A una X(z) possono corrispondere molte funzioni continue x(t) Questa ambiguità non sussiste se sono verificate le condizioni restrittive e su T del teorema ema di Shannon , y1 y 0 1 x x x x x x t (s) CD Teoremi e proprietà principali Linearità: La Z trasformata è un operatore lineare CD Pag. 10

11 Teoremi e proprietà principali Teorema della traslazione nel tempo: Sia dato un segnale x(t), nullo per t<0, e sia X(z) = Z[x(t)]. Per n = 0, 1, 2, si ha che: ritardo anticipo In pratica spesso si scrive, con un certo abuso di notazione: Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Teoremi e proprietà principali Teorema del valore iniziale: Se X(z) = Z[x(t)] ed esiste allora il valore iniziale x(0) di x(t) è dato da: Infatti si ha che: Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Pag. 11

12 Teoremi e proprietà principali Teorema del valore finale: Sia X(z) = Z[x(t)] e siano tutti i poli di X(z) entro al cerchio unitario, con al più un polo semplice in z =1. Allora il valore finale di x(k), cioè il valore di x(k) per k!1 è dato da: CD Teoremi e proprietà principali Esempio: Si consideri il segnale descritto da X(kT) = 0, , , , , , , , , , , , , , , , , ,. (T = 1 sec) CD Pag. 12

13 Teoremi e proprietà principali Differenziazione complessa Da cui si deduce che: Questa relazione permette di calcolare Z-trasformate di funzioni a partire da Z-trasformate già note. CD Teoremi e proprietà principali Esempio: Gradino unitario. La Z-trasformata del gradino unitario è Si può usare il teorema della differenziazione complessa per calcolare la Z-trasformata della rampa unitaria x(kt) = kt: CD Pag. 13

14 Teoremi e proprietà principali Integrazione complessa: Si consideri la sequenza dove x(k)/k è finito per k=0 e sia Z[x(k)]=X(z). La Z-trasformata di x(k)/k è data da: CD Teoremi e proprietà principali Teorema della convoluzione reale: Siano date due funzioni x 1 (t) e x 2 (t), con x 1 (t) = x 2 (t) = 0 per t< 0, e siano X 1 (z) e X 2 (z) le corrispondenti Z-trasformate. Allora: CD Pag. 14

15 La antitrasformata Z X(z) x(k) La relazione tra X(z) e x(k) è biunivoca: è possibile ottenere la sequenza di dati x(k) a partire dalla X(z) e viceversa. L antitrasformata Z permette di passare da una Z-trasformata X(z) alla corrispondente sequenza x(k). Esistono diversi metodi per antitrasformare una funzione X(z) Metodo della lunga divisione Metodo computazionale Metodo della scomposizione in fratti semplici Metodo dell integrale di inversione CD La antitrasformata Z x(k) x(t) La corrispondenza tra la sequenza campionata x k e il segnale originale x(t) NON è biunivoca. Se è soddisfatto il Teorema di Shannon sul campionamento, la funzione continua x(t) può essere determinata univocamente a partire dalla sequenza x k y0, y1 1 x x x x x x t (s) CD Pag. 15

16 La antitrasformata Z Il metodo computazionale Si consideri ad esempio la seguente Z trasformata: Essa può essere riscritta come: Dove U(z) è la Z-trasformata t dell impulso l unitario i discreto e vale 1 CD La antitrasformata Z Il metodo computazionale Considerando l operatore z -1 come un ritardo unitario possiamo riscrivere l espressione precedente sotto forma di equazione alle differenze: da cui Le condizioni iniziali, necessarie per risolvere l equazione alle differenze, sono: CD Pag. 16

17 La antitrasformata Z Il metodo computazionale La soluzione dell equazione alle differenze ci dà i termini della sequenza x(kt) Il vantaggio di questo metodo è che l equazione alle differenze da risolvere per trovare la sequenze può essere facilmente scritta in forma ricorsiva in qualsiasi linguaggio di programmazione. CD La antitrasformata Z fratti semplici E l analogo nel discreto della tecnica della scomposizione in fratti semplici utilizzate con le trasformate di Laplace. Infatti, poichè la Z-trasformata è un operatore lineare, è possibile scomporre l'espressione di una X(z) in termini elementari, dai quali si può ricavare l'antitrasformata tramite tabelle, e sommare i vari elementi così ottenuti. In gerale, sia data una Z-trasformata: Per prima cosa occorre calcolare i poli, le radici del polinomio A(z) e riscrivere X(z) come: CD Pag. 17

18 La antitrasformata Z fratti semplici CASO 1: Tutti i poli di X(z) sono semplici In questo caso si pone: dove i coefficienti c i sono detti residui e sono dati da: CD La antitrasformata Z fratti semplici Se in X(z) vi è almeno uno zero nell origine, si usa X(z)/z: Quando sono presenti poli complessi coniugati, i coefficienti c i sono anch'essi complessi. In questo caso si ricorre alle formule di Eulero per ottenere funzioni trigonometriche a coefficienti reali. L espressione della sequenza x(k) è in forma chiusa ed è data da: CD Pag. 18

19 La antitrasformata Z fratti semplici CASO 2 Vi sono poli multipli in X(z) o in X(z)/z Siamo nella situazione in cui si ha: Possiamo scrivere Dove i residui si calcolano mediante la seguente formula: CD La antitrasformata Z fratti semplici Esempio: Calcolare l'antitrasformata della funzione I due poli risultano z 1 = 1 e z 2 = 0.6. Inoltre, la X(z) puo` essere scritta come Si utilizza quindi la X(z)/z da cui Dalle tabelle si ha quindi che CD Pag. 19

20 La antitrasformata Z fratti semplici Esempio: Antitrasformare la funzione Si ha che e quindi e CD Funzioni di Trasferimento Discrete Considereremo sistemi discreti lineari con un ingresso e un uscita a y 1 k u k S + a y L 2 k 1 + L+ an yk n = b1u k + b2uk y k b u n Elaborazione Discreta k m Applicando la Z trasformata ad entrambi i membri e sfruttando la linearità dell operatore, si ottiene: 1 n 1 m ( a1 + a2z + L+ anz ) Y ( z) = ( b1 + b2 z + L+ bn z ) U ( z) CD Pag. 20

21 Funzioni di Trasferimento Discrete Y ( z) ( b G z) = = U ( z) ( a + b ( a2z z + L+ bn z + L+ a z G(z) è la funzione di trasferimento del sistema a tempo discreto. Analogamente a quanto succede per i sistemi tempo continui: La sua espressione non dipende dall ingresso, ma è data dalle proprietà del sistema Lega la trasformata Z dell uscita a quella dell ingresso tramite Y(z)=G(z)U(z) E uno strumento molto utile per l analisi di un sistema discreto e per la sintesi di un controllore E razionale fratta e, quindi, molti degli strumenti introdotti per l analisi dei sistemi tempo continui possono essere utilizzati, con opportune modifiche, per i sistemi discreti Le radici del polinomio al denominatore sono dette poli mentre quelle del polinomio al numeratore sono dette zeri. L equazione che si ottiene ponendo uguale a zero il polinomio al denominatore è detta equazione caratteristica. n m n ) ) CD Funzioni di Trasferimento Discrete La funzione di trasferimento può essere interpretata come la Z- trasformata della risposta impulsiva Y ( z) = G( z) U ( z) = G( z) Z[ δ ( k)] = G( z) 1 = G( z) La risposta nel tempo discreto è data dalla sommatoria di convoluzione tra l ingresso e la risposta impulsiva del sistema, detta anche sequenza ponderatrice y( k) = Z 1 [ Y ( z)] = Z 1 [ G( z) U ( z)] Ricordando il teorema della convoluzione reale si ha che: y( k) = k h= 0 g h u k Queste proprietà sono analoghe a quelle della funzione di trasferimento nel dominio di Laplace h CD Pag. 21

22 Funzioni di Trasferimento Discrete E possibile rappresentare un sistema a tempo discreto come un blocco con un ingresso e un uscita. U(z) Y(z) G(z) Un sistema discreto può essere rappresentato dall interconnessione di più blocchi. Le regole di riduzione per gli schemi a blocchi di sistemi discreti sono le stesse che valgono per gli schemi a blocchi di sistemi continui Serie Parallelo Retroazione U(z) G 1 (z) Y(z) G 2 (z) C(z) U(z) G 1 (z) G 2 (z) + + Y(z) U(z) + - G 1 (z) G 2 (z) Y(z) U(z) C(z) H(z) H ( z) = G1 ( z) G2( z) U(z) Y(z) H(z) H ( z) = G1 ( z) + G2( z) U(z) Y(z) H(z) G1 ( z) H ( z) = 1+ G ( z) G ( z) 1 CD Stabilità nei sistemi discreti Analogamente al caso tempo continuo, la stabilità di un sistema tempo discreto è legata alla risposta impulsiva del sistema. Un sistema discreto si dice: Stabile, se la risposta del sistema all impulso discreto rimane limitata Asintoticamente stabile, se è stabile e la risposta del sistema converge asintoticamente a 0 Instabile, se non è stabile Analogamente al caso tempo continuo, la stabilità asintotica e la stabilità ingresso-limitato uscita-limitata coincidono Nelle applicazioni pratiche si è tipicamente interessati alla asintotica stabilità CD Pag. 22

23 Stabilità nei sistemi discreti Analogamente al caso tempo-continuo, il carattere di convergenza della risposta impulsiva dipende solamente dalla posizione dei poli della funzione di trasferimento che rappresenta il sistema tempo discreto. Se il sistema è descritto da una funzione di trasferimento del tipo: con A(z) e B(z) primi tra loro B(z) ( ) G ( z) = A( z) Il sistema è asintoticamente stabile se tutte le radici del polinomio A(z), cioè i poli del sistema, sono entro il cerchio unitario che ha centro nell origine del piano z, ossia se p i <1 per ogni i Il sistema è stabile se tutti i poli con modulo unitario ( p i =1) sono semplici (ossia hanno molteplicità 1), mentre tutti i rimanenti poli sono entro il cerchio unitario Il sistema è instabile se almeno un polo ha modulo strettamente maggiore di uno oppure se esiste un polo con modulo unitario e molteplicità maggiore di 1 La posizione degli zeri NON influisce sulla stabilità del sistema. CD Stabilità nei sistemi discreti - Esempi G ( z ) = z G ( z) = z CD Pag. 23

24 Stabilità nei sistemi discreti - Esempi 1 G ( z ) = z 1 1 G ( z) = z 1 CD Stabilità nei sistemi discreti - Esempi 1 ( z) = z G ( z) = ( z 1) G 2 CD Pag. 24

25 Stabilità nei sistemi discreti L uscita del sistema poteva essere ottenuta direttamente antitrasformando la G(z) Il fatto che la regione di stabilità sia il cerchio unitario, dipende dal fatto che l antritrasformata asfo di G(z) è composta da termini in cui compaiono funzioni potenza anziché esponenziali come nel caso tempo continuo. CD Determinazione della stabilità Per determinare la stabilità è sufficiente verificare la posizione delle radici dell equazione caratteristica rispetto al cerchio unitario. Se l equazione è data da: è possibile n n z L 1 + a1 z + + an = 0 trovare le radici dell equazione mediante un programma di analisi numerica (es. Matlab roots([1 a 1,,a n ]) usare criteri che consentono di determinare la stabilità del sistema senza dover risolvere l equazione caratteristica Criterio di Routh e trasformazione bilineare Criterio di Jury (vedi Bonivento-Zanasi-Melchiorri Cap. 4) CD Pag. 25

26 Criterio di Routh Data un equazione polinomiale di grado n, il criterio di Routh consente di determinare, senza dover risolvere l equazione, se tutte le radici hanno parte reale negativa. Nei sistemi continui, i ciò è sufficiente per determinare e se un sistema è asintoticamente stabile ma questo non è più vero per i sistemi discreti. L idea è quella di trasformare, mediante una trasformazione bilineare, la funzione data G(z) in un altra funzione G(w) di variabile complessa w tale da permettere l applicazione a quest ultima il criterio di Routh. CD Criterio di Routh Si utilizza la seguente trasformazione bilineare z 1+ w z 1 = w = 1 w z + 1 La prima equazione trasforma infatti il cerchio unitario in z nel semipiano sinistro del piano w (permettendo quindi l applicazione del criterio di Routh), mentre la seconda equazione effettua la trasformazione inversa. Verificare che il sistema G(w) abbia tutti i poli a parte reale negativa equivale a verificare che il sistema G(z) abbia tutti i poli all interno del cerchio unitario e che, quindi, sia asintoticamente stabile. CD Pag. 26

27 Criterio di Routh Ponendo w=σ+jω, si può facilmente vedere che il cerchio unitario viene mappato nel semipiano sinistro tramite la trasformazione bilineare 1+ w 1+ σ + jω z = = < 1 1 w 1 σ j ω da cui ( 1+ σ ) ( 1 σ ) ω 2 + ω < ( 1 σ ) + ω < ( 1 σ ) + ω + σ < 0 In modo analogo, è possibile mostrare che i punti sul cerchio unitario vengono mappati sull asse immaginario e che i punti esterni al cerchio unitario vengono mappati nel semipiano destro del piano di Gauss. CD Criterio di Routh Per testare la stabilità di una funzione di trasferimento G(z): Si considera l equazione caratteristica del sistema n n P( z) = z + a1z + L+ + an 1z + a 1 = Si effettua la trasformazione bilineare per mappare il piano z nel piano w n 0 1+ w 1 w n 1+ w + a1 1 w n 1 + L+ + a n 1 1+ w + a 1 w n = 0 da cui si ottiene una nuova equazione polinomiale in w n n Q( w) = q0w + q1w + L+ + qn 1w + q 1 = n 0 CD Pag. 27

28 Criterio di Routh in virtù delle proprietà della trasformazione bilineare, radici di Q(w) a parte reale positiva, nulla, negativa corrispondono rispettivamente a radici di P(z) a modulo maggiore, uguale, minore di 1. Applicando il criterio di Routh, si determina la posizione delle radici di Q(w) e, di conseguenza, la stabilità di G(z). CD Esempio Sia dato un sistema discreto rappresentato da: z + 1 G( z) = 3 2 z + 2z + z + 1 Applicando la trasformazione bilineare all equazione caratteristica, si ottiene 1+ w Q( w) = 1 w 3 1+ w w da cui 3 2 Q( w) = w + 3w + w w w CD Pag. 28

29 Esempio Applicando il criterio di Routh, si ottiene: /3 0 5 da cui si conclude che, essendo presente una sola variazione di segno in prima colonna, il sistema ha un polo instabile. CD Sistemi a tempo discreti Sono definiti in un insieme discreto dei tempi e possono essere rappresentati da un equazione alle differenze La trasformata Z è l analogo discreto della trasformata di Laplace e consente di definire e il concetto di funzione di trasferimento per i sistemi discreti. Le regole di interconnessione per i sistemi discreti sono le stesse che valgono per i sistemi continui La stabilità di un sistema discreto è legata alla molteplicità e alla posizione dei poli della sua funzione di trasferimento rispetto al cerchio unitario. CD Pag. 29

30 CONTROLLI DIGITALI Laurea Magistrale in Ingegneria Meccatronica SISTEMI A TEMPO DISCRETO Ing. Tel cristian.secchi@unimore.it mettere dopo il teorema del ritardo: Il termine z -k è interpretabile come un ritardo z - k! ritardo di t = kt Dire quando si parla del metodo computazionale che è quella la ragione per cui le espressioni razionali fratte vengono espresse in termini di z -1 Controlli Digitali CD Pag. 30

31 Soluzione delle equazioni alle differenze Trovare la soluzione delle equazioni alle differenze è semplice. Basta conoscere le condizioni iniziali. Si consideri ad esempio: Condizioni iniziali: CD Equazione caratteristica L equazione caratteristica (associata all equazione) è data da L equazione alle differenze è instabile. Infatti la soluzione è divergente Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Pag. 31

32 Soluzione delle equazioni alle differenze Nel caso generale, si ipotizza che la sequenza soluzione sia nella forma: Sostituendo la soluzione candidata nell equazione si ottiene: Dividendo per cz k si ottiene Poiché l equazione è lineare, si ha che la combinazione lineare di due soluzioni è ancora una soluzione. Quindi è ancora una soluzione Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Soluzione delle equazioni alle differenze Le costanti c 1 e c 2 si determinano imponendo specifiche condizioni iniziali. da cui Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Pag. 32

33 Soluzione delle equazioni alle differenze L equazione che si ottiene dopo la sostituzione u k =z k è detta equazione caratteristica dell equazione alle differenze. Se una delle radici dell equazione caratteristica ha modulo maggiore di 1, allora la corrispondente equazione alle differenze è instabile (cioè la sua soluzione divergerà al crescere del tempo per qualsiasi condizione iniziale finita). Se tutte le radici dell equazione caratteristica hanno modulo minore di 1, allora la corrispondente equazione alle differenze è stabile (cioè la sua soluzione convergerà a 0 al crescere del tempo per qualsiasi condizione iniziale finita). stabile 1 instabile Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD La Z-trasformata Funzioni elementari Funzione esponenziale. Sia data la funzione: a costante reale o complessa Poichè x(kt) = e -akt, k = 0, 1, 2,, si ha Convergente per z > e -Re(a)T Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Pag. 33

34 La Z-trasformata Funzioni elementari Funzione sinusoidale. Sia data la funzione: Dalle formule di Eulero: Convergente per z > 1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD La Z-trasformata Funzioni elementari Funzione cosinusoidale. Sia data la funzione: Analogamente a prima, con le formule di Eulero Convergente per z > 1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo CD Pag. 34