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1 Controlli Automatici - A.A. 1/11 Ingegneria Gestionale 13 Settembre 11 - Esercizi Nome: Nr. Mat. Firma: Rispondere alle seguenti domande. a) Calcolare la trasformata di Laplace X(s) dei seguenti segnali temporali x(t): x 1 (t) = δ(t)+ e t X 1 (s) = + cos(3t), x (t) = 1+sin(t)+t 3 e t s+ [(s+) +3 ], X (s) = 1 s + s + + 3! (s ) b) Calcolare la risposta impulsiva g i (t) delle seguenti funzioni di trasferimento G i (s): G 1 (s) = s+ s(s+), G (s) = 1e s s + G 1 (s) = 1 s + 1 (s+), g 1(t) = e t { per t 1 G (s) g (t) = sin((t 1)) per t > 1 c) Sia dato il seguente sistema retroazionato: r(t) e(t) K G(s) ( s)(1+s) s (s +3s+1) c.1) Determinare per quali valori di K il sistema retroazionato è asintoticamente stabile. Soluzione. L equazione caratteristica del sistema retroazionato è: 1+ K( s)(1+s) s (s +3s+1) = s +3s 3 +(1 K)s +9Ks+K =. La tabella di Routh ha la seguente struttura: 1 1 K K 3 3 9K 1K + 3 1K 1 9K( 1K +3) K 1K Dalla riga e dalla riga si ricavano i seguenti vincoli: K < 3 1 Dalla riga 1 si ottiene la seguente disequazione: =, K >. 13K + > K < 13 = 19.7 = K. 1

2 Quindi il sistema retroazionato è asintoticamente stabile per: < K < K = La pulsazione ω corrispondente al valore limite K è: ω = 3K = 9 = c.) Tracciare i diagrammi asintotici di Bode delle ampiezze e delle fasi della funzione G(s). Soluzione. I diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasi della funzione G(s) sono mostrati in Fig. 1. Le funzioni approssimanti G (s) e G (s) per ω ed ω sono le seguenti: Diagramma dei moduli Mag (db) be Gs ga Goos Phase (deg) Phi Diagramma delle fasi Frequency [rad/s] Phioo Figura 1: Diagrammi di Bode della funzione G(s). G (s) = 1 s, G (s) = s. Le corrispondenti fasi ϕ e ϕ hanno il seguente valore: ϕ = π, ϕ = π. Sul diagramma asintotico delle ampiezze, il guadagno β in corrispondenza della pulsazione ω =. e il guadagno γ in corrispondenza della pulsazione ω = 1 sono: β = 1, γ = 1. c.3) Calcolare, in funzione di K, l errore a regime e (t) per ingresso a parabola r(t) = t. Il sistema G(s) è tipo 1 per cui segnale di ingresso r(t) = t t = R inseguito solo con errore a regime non nullo: e (t) = R K a = K 1 = 8 K. può essere d) Si faccia riferimento ad un sistema G(s) i cui diagrammi di Bode sono mostrati in figura. Nei limiti della precisione consentita dal grafico si risponda alle seguenti domande:

3 d.1) calcolare la risposta oscillatoria a regime y (t) del sistema quando in ingresso è presente il segnale: x(t) = sin(.3t π ); d.) ricavare l espressione analitica della funzione di trasferimento G(s). Stimare in modo approssimato eventuali valori di δ. G(s) 77.8(s 3) (s+.1)(s +s+) Mag (db) Phase (deg) Diagramma dei moduli Diagramma delle fasi Frequency [rad/s] d.1) La risposta a regime y (t) del sistema G(s) quando in ingresso è presente il segnale x(t) = sin(.3t π ) è la seguente: y (t) = G(.3j) sin (.3t π ) +ArgG(.3j) =.3878 sin (.3t π ) 83.1o d.) Dal grafico è evidente che la funzione G(s) ha un polo stabile in ω =.1, due zeri instabili in ω = 3 e una coppia di poli complessi coniugati stabili in ω =. La funzione di trasferimento del sistema è quindi la seguente: G(s) = 77.8(s 3) (s+.1)(s +s+) = 1(1.333s) (1+1s)(1+.8s+.s ). Dal grafico risulta che il picco di risonanza è M R =. per cui si ha che δ =.. e) Sia dato il seguente sistema retroazionato: r(t) e(t) K G(s) (s+3) s((s+1) + ) e.1) Tracciare qualitativamente il luogo delle radici del sistema retroazionato al variare del parametro K >. Determinare esattamente la posizione degli asintoti, le intersezioni ω con l asse immaginario e i corrispondenti valori del guadagno K. Determinare la posizione dei punti di diramazione solo in modo qualitativo. e.) Posto K = K determinare la posizione p 1, p e p 3 dei poli del sistema retroazionato. Soluzione e.1) L equazione caratteristica del sistema retroazionato è: (s+3) 1+KG(s) = 1+K s((s+1) + ) = L andamento qualitativo del luogo delle radici del sistema G(s) al variare del parametro K > è mostrato in Fig.. Il centro degli asintoti σ a è il seguente: σ a = 1 ( +3) = 1 L intersezione con l asse immaginario si calcola utilizzando il criterio di Routh: 1+KG(s) = s 3 +s +(+K)s+3K = 3

4 Root Locus 1 8 Imaginary Axis Real Axis Figura : Luogo delle radici del sistema G(s) al variare del parametro K >. 3 1 (+K) 1 > 3K > 1 1 K K < 1 K K > Il sistema retroazionato è asintoticamente stabile per: < K < 1 = K L intersezione con l asse immaginario si ha in corrispondenza della pulsazione: ω = 1 rad/s. 3K = e.) In corrispondenza del valore K = K il sistema retroazionato è marginalmente stabile e due dei tre poli del sistema si trovano sull asse immaginario nella posizione p 1, = ±jω. La posizione del terzo polo p 3 si determina ad esempio utilizzando il teorema del baricentro: 3 p 1 +p +p 3 = p i p 3 =. i=1 f) In figura è mostrata la risposta al gradino x(t) = X = 1 di un sistema dinamico G(s) caratterizzato solamente da poli stabili. Nei limiti della precisione del grafico determinare: T ω Risposta al gradino y 1) Il guadagno statico del sistema: G = y X =.8 ) La posizione dei poli dominanti del sistema p 1, : σ = 3 T a 3 1., ω = π T ω.8.81, p 1, = σ ±jω = ±j7.7. 3) La pulsazione naturale ω n : T a Time [s] ω n = σ +ω 8. g) Si consideri il seguente schema a blocchi: x(t) e(t) R(s) G(s) dove G(s) = [(s+1) + ](s+) e R(s) = 1+τ 1s 1+τ s.

5 g.1) Considerando i diagrammi di Bode di G(s) riportati di seguito: ampiezza 1 db rad/sec fase gradi rad/sec indicare i valori della pulsazione di incrocio ω c, del margine di fase M ϕ e del margine di ampiezza M α di G(s). Pulsazione di incrocio ω c =.3 rad/s, margine di fase M ϕ = 11. e margine di ampiezza M α =.1dB. g.) Utilizzando le formule di inversione determinare i valori dei parametri τ 1 e τ della rete correttrice R(s) che garantisca al sistema compensato un margine di fase M ϕ = e una larghezza di banda ω f = rad/s per il sistema retroazionato. Si indichi inoltre se la rete progettata è una rete ritardatrice o anticipatrice. ω a =, M a =.71 db =.17, ϕ a = 7.3 M b = 1, ϕ b = 18 +M ϕ = 1 da cui si ricavano M = M b =.17, ϕ = ϕ b ϕ a = 31.3 M a I parametri τ 1 e τ si ricavano utilizzando le formule di inversione τ 1 = M cosϕ ω a sinϕ =.717, τ = cosϕ 1 M ω a sinϕ =.7 Essendo τ 1 < τ si tratta di una rete ritardatrice.

6 Controlli Automatici Compito Completo 13 Settembre 11 - Domande Teoriche Nome: Nr. Mat. Firma: Rispondere alle seguenti domande. Per ciascuno dei test a soluzione multipla segnare con una crocetta tutte le affermazioni che si ritengono giuste. 1. Scrivere la funzione di trasferimento G(s) corrispondente alla seguente equazione differenziale:... y +ÿ +y = ẍ+3ẋ+x G(s) = Y(s) X(s) = s +3s+ s 3 +s +. Calcolare il valore iniziale y = lim t + e il valore finale y = lim del segnale t corrispondente alla seguente trasformata di Laplace Y(s): Y(s) = (s+1)(1 s) s(s +3s+) y =, y = 1 3. Un sistema in retroazione negativa avente G(s) sul ramo diretto, H(s) sul ramo di retroazione e con un elevato guadagno statico d anello è poco sensibile alle variazioni parametriche di G(s) presenta una forte attenuazione dei disturbi è poco sensibile alle variazioni parametriche di H(s) costanti agenti sull uscita del sistema. I due poli di un sistema del ordine sono univocamente determinati se vengono assegnate le seguenti specifiche coefficiente di smorzamento δ e tempo di assestamento Ta picco di risonanza MR e pulsazione di risonanza ω R massima sovraelongazione S e picco di risonanza M R. Calcolare l errore a regime e( ) per i seguenti sistemi retroazionati: r(t) = 8t e(t) (s+) s(s+3) r(t) = 3t e(t) s+1 s(s+3) r(t) = e(t) 1 s(s+1) e( ) = e( ) = 3 e( ) =. Disegnare l andamento qualitativo della risposta al gradino unitario del seguente sistema: G(s) = (+.1s)(s +8s+) (+.s)(9+.s)(s +1s+1)(s +s+1) Calcolare inoltre: 1) il valore a regime y della risposta al gradino per t ; ) il tempo di assestamento T a della risposta al gradino ; 3) il periodo T ω dell eventuale oscillazione smorzata presente sul segnale : T ω Risposta al gradino y y =., T a s, T ω.1s. 1 T a 8 1 Time [s]

7 7. In figura è mostrato il diagramma di Bode dei moduli di un sistema lineare G(s) a fase minima. a) Determinare la posizione dei poli dominanti: p 1, ±8.j; b) Calcolare il guadagno statico del sistema: G() = db = 1; c) Calcolare la larghezza di banda ω f del sistema G(s) posto in retroazione unitaria negativa: Mag (db) Diagramma dei moduli 1 ω f Frequency [rad/s] Scrivere la funzione di trasferimento G(s) di un sistema del secondo ordine caratterizzato da un guadagno statico pari a, un coefficiente di smorzamento δ =. e una pulsazione naturale ω n pari a 1: G(s) = = 1+.s+ s 1 1 +s+s 9. Per ω = 1/τ il diagramma reale di Bode delle ampiezze della funzione G(jω) = 1 1+jτω ha guadagno unitario vale 3 db vale 1/ vale 3 db vale 1/ 1. In un controllore PID, l azione integrale: aumenta la banda passante riduce il tempo di assestamento aumenta il guadagno a basse frequenze aumenta il guadagno ad alte frequenze 11. Se la funzione d anello L(s) di un sistema retroazionato presenta un polo doppio nell origine: l errore a regime per ingresso a gradino è nullo l errore a regime per ingresso a rampa è nullo l errore a regime per ingresso a rampa è diverso da zero e costante l errore a regime per ingresso a parabola è infinito 1. La rete anticipatrice R(s) = 1+τ s 1+ατ s solo per ω < 1 τ α solo per ω > 1 τ α a tutte le pulsazioni ω ], [ fornisce un anticipo di fase: 13. Se i coefficienti dell equazione caratteristica di un sistema retroazionato sono tutti positivi, allora è possibile affermare che l equazione caratteristica ha tutte le radici a parte reale positiva l equazione caratteristica ha tutte le radici a parte reale negativa l equazione caratteristica può avere radici a parte reale positiva l equazione caratteristica può avere radici a parte reale negativa 7