Controlli Automatici - Parte A

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1 Cognome: Nome: N. Matr.: Ho seguito il corso con Prof Giarré Prof. Biagiotti Controlli Automatici - Parte A Ingegneria Meccanica e Ingegneria del Veicolo Compito del 17 luglio 18 - Quiz Per ciascuno dei seguenti quesiti (si considerino solo le domande numerate normalmente o che recano il nome del docente con cui si è seguito il corso), segnare con una crocetta le risposte che si ritengono corrette. Alcuni quesiti possono avere più risposte corrette. I quiz si ritengono superati se vengono individuate almeno metà delle risposte esatte (punti 5.5 su 11), diversamente il compito verrà ritenuto insufficiente a prescindere dal risultato della seconda prova. 1. Quali dei seguenti sistemi sono asintoticamente stabili? s+ G(s) = s(s+3)(s+1) s+ G(s) = (s+1) (s+3) s G(s) = (3s+1)(s+4) s+ G(s) = (3s+1)(s +4). La funzione di trasferimento G(s) = Y(s) X(s) = s +s+3 5s 3 +s corrisponde all equazione differenziale: +3s 3ẋ(t)+ẍ(t)+5... x(t) = 3y(t)+ẏ(t)+ÿ(t) 3y(t)+ẏ(t)+5ÿ(t) = 3x(t)+ẋ(t)+ẍ(t) 3ẏ(t)+ÿ(t)+5... y(t) = 3x(t)+ẋ(t)+ẍ(t) nessuna delle precedenti 3. I due poli di un sistema del secondo ordine sono univocamente determinati se vengono assegnate le seguenti specifiche coefficiente di smorzamento δ e tempo di assestamento T a massima sovraelongazione S e picco di risonanza M R tempo di assestamento T a e picco di risonanza M R 4. La derivata iniziale della risposta al gradino unitario del sistema G(s) = s+3 s +9s 1 1/3 5. Dato il sistema G(s) = risulta (s+3) s (s +4s+5) errore a regime nullo per ingresso a gradino errore a regime nullo per ingresso a rampa errore a regime nullo per ingresso a parabola errore a regime limitato ma non nullo per ingresso a rampa è pari a: posto in retroazione unitaria negativa (che si suppone stabile)

2 6. Per ω = 1/a il diagramma reale di Bode delle ampiezze della funzione G(jω) = 1 (1+j aω) (con a > ) vale 1 vale 1 vale 1/ vale 3 db 7. La funzione di risposta armonica F(ω) di un sistema lineare tempo-invariante determina univocamente la funzione di trasferimento G(s) del sistema è determinata univocamente dalla funzione di trasferimento G(s) del sistema non è definibile se il corrispondente sistema G(s) presenta degli zeri a parte reale positiva non è determinabile sperimentalmente se il corrispondente sistema G(s) presenta degli zeri a parte reale positiva 8. Applicando l ingresso u(t) = sin(t) al sistema ẏ(t)+y(t) = 4u(t) si ottiene la seguente uscita a regime: y(t) = 4 sin(t+45 o ) y(t) = 4 sin(t 45 o ) y(t) = sin(t+45 o ) y(t) = sin(t 45 o ) 9. Il metodo della Trasformata di Laplace nella risoluzione di equazioni differenziali lineari a parametri concentrati permette di calcolare la risposta libera del sistema permette di calcolare la risposta forzata del sistema può essere utilizzato solo nel caso di equazioni tempo invarianti può essere utilizzato anche nel caso di equazioni tempo varianti 1. Linearizzando il sistema ẋ 1 = x 1 +(sin (x 1 )+1)x +u ẋ = x y = x 1 +cos(x )u [ intorno al punto di equilibrio x =, ū = si ottiene un sistema Lineare Tempo-Invariante caratte- rizzato dalle matrici [ 1 A = 1 [ 1 A = 1 [ 1 A = 1 [ 1 A = 1, B =, B =, B =, B = [ [ [ [, C = [1, D = 1, C = [1, D =, C = [1 1, D = 1, C = [1 1, D =

3 Cognome: Nome: N. Matr.: Ho seguito il corso con Prof. Giarré Prof. Biagiotti Controlli Automatici - Parte A Ingegneria Meccanica e Ingegneria del Veicolo Compito del 17 luglio 18 - Esercizi Rispondere in maniera analitica ai seguenti quesiti (gli studenti dovranno rispondere ai quesiti contrassegnati solo con lettere o col nome del docente di cui hanno seguito il corso più una lettera). I problemi e le domande a risposta aperta si ritengono superati se vengono conseguiti almeno metà dei punti totali (11 su ), diversamente il compito verrà ritenuto insufficiente a prescindere dal risultato della prima prova. a) Determinare la trasformata di Laplace X i (s) dei seguenti segnali temporali x i (t): x 1 (t) = ( 5+e 3t) cos(3t), x (t) = ( δ(t)+1+t 3 e t) Giarré - b) Dato il sistema definito nello spazio degli stati come { ẋ(t) = Ax(t)+Bu(t) y(t) = Cx(t)+Du(t) con A = [ [, B =, C = [.5, D = [ 1 b.1) Determinare la corrispondente funzione di trasferimento G(s) = Y(s) U(s) ; b.) Calcolare analiticamente la risposta all impulso di G(s). Biagiotti - b) Calcolare la risposta impulsiva g i (t) delle seguenti funzioni di trasferimento G i (s): PSfrag replacements c) Dato il seguente schema a blocchi: G 1 (s) = 9s +3s+4 s 3 +6s +8s, G (s) = s 1 (s+) (s+1) D X(s) A B C Y(s) G E F utilizzando la formula di Mason calcolare la funzione di trasferimento G(s) che lega l ingresso X(s) all uscita Y(s). 1(s+5)(s+.1) d) Sia data la funzione di trasferimento G(s) = (s +6s+49)(s+1)(1+1s) Disegnare l andamento qualitativo della risposta y(t) a un gradino in ingresso di ampiezza 5, x(t) = 5. Calcolare il valore a regime y dell uscita y(t) del sistema, stimare qualitativamente il tempo di assestamento T a del sistema e il periodo T ω dell eventuale oscillazione smorzata.

4 e) Sia dato il seguente sistema retroazionato: d(t) r(t) e(t) K G(s) (s 3) s(s +13s+169) y(t) e.1) Determinare per quali valori del parametro K il sistema retroazionato è asintoticamente stabile. e.) Posto K = 1, calcolare l errore a regime e quando sul sistema retroazionato agiscono contemporaneamente il segnale di riferimento r(t) = 4+t e il disturbo d(t) = sin(t) e.3) Tracciare (nello schema fornito in allegato) i diagrammi asintotici di Bode delle ampiezze e delle fasi della funzione G(s). Biagiotti - e.4) Tracciare qualitativamente il luogo delle radici del sistema retroazionato valori negativi del parametro K. Determinare esattamente gli asintoti, il centro degli asintoti, le intersezioni con l asse immaginario e i corrispondenti valori del guadagno K. Giarré - e.4) Disegnare qualitativamente il diagramma di Nyquist della funzione di risposta armonica G(jω) per valori positivi della pulsazione. Calcolare esattamente la posizione σ di un eventuale asintoto, le eventuali intersezioni con l asse reale e i corrispondenti valori delle pulsazioni. f) Si faccia riferimento al diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasei della funzione G(s) mostrati in figura. 6 4 Modulo M [db PSfrag replacements X(s) Y(s) A B C D E F G Fase φ [gradi Pulsazione ω [rad/s f.1) Si richiede di ricavare l espressione analitica della funzione G(s). f.) La funzione G(s) può rappresentare un sistema fisico? Si chiede di rispondere motivando la risposta.

5 Cognome: Nome: N. Matr.: 4 Diagrammi di Bode Modulo M [db Fase φ [gradi Pulsazione ω [rad/s

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7 Cognome: Nome: N. Matr.: Ho seguito il corso con Prof Giarré Prof. Biagiotti Controlli Automatici - Parte A Ingegneria Meccanica e Ingegneria del Veicolo Compito del 17 luglio 18 - Quiz Per ciascuno dei seguenti quesiti (si considerino solo le domande numerate normalmente o che recano il nome del docente con cui si è seguito il corso), segnare con una crocetta le risposte che si ritengono corrette. Alcuni quesiti possono avere più risposte corrette. I quiz si ritengono superati se vengono individuate almeno metà delle risposte esatte (punti 5.5 su 11), diversamente il compito verrà ritenuto insufficiente a prescindere dal risultato della seconda prova. 1. Quali dei seguenti sistemi sono asintoticamente stabili? s+ s G(s) = G(s) = s(s+3)(s+1) (3s+1)(s+4) s+ s+ G(s) = (s+1) G(s) = (s+3) (3s+1)(s +4). La funzione di trasferimento G(s) = Y(s) X(s) = s +s+3 5s 3 +s corrisponde all equazione differenziale: +3s 3ẋ(t)+ẍ(t)+5... x(t) = 3y(t)+ẏ(t)+ÿ(t) 3y(t)+ẏ(t)+5ÿ(t) = 3x(t)+ẋ(t)+ẍ(t) 3ẏ(t)+ÿ(t)+5... y(t) = 3x(t)+ẋ(t)+ẍ(t) nessuna delle precedenti 3. I due poli di un sistema del secondo ordine sono univocamente determinati se vengono assegnate le seguenti specifiche coefficiente di smorzamento δ e tempo di assestamento Ta massima sovraelongazione S e picco di risonanza M R tempo di assestamento Ta e picco di risonanza M R 4. La derivata iniziale della risposta al gradino unitario del sistema G(s) = s+3 s +9s 1 1/3 è pari a: (s+3) 5. Dato il sistema G(s) = s (s posto in retroazione unitaria negativa (che si suppone stabile) +4s+5) risulta errore a regime nullo per ingresso a gradino errore a regime nullo per ingresso a rampa errore a regime nullo per ingresso a parabola errore a regime limitato ma non nullo per ingresso a rampa

8 6. Per ω = 1/a il diagramma reale di Bode delle ampiezze della funzione G(jω) = 1 (1+j aω) (con a > ) vale 1 vale 1 vale 1/ vale 3 db 7. La funzione di risposta armonica F(ω) di un sistema lineare tempo-invariante determina univocamente la funzione di trasferimento G(s) del sistema è determinata univocamente dalla funzione di trasferimento G(s) del sistema non è definibile se il corrispondente sistema G(s) presenta degli zeri a parte reale positiva non è determinabile sperimentalmente se il corrispondente sistema G(s) presenta degli zeri a parte reale positiva 8. Applicando l ingresso u(t) = sin(t) al sistema ẏ(t)+y(t) = 4u(t) si ottiene la seguente uscita a regime: y(t) = 4 sin(t+45 o ) y(t) = 4 sin(t 45 o ) y(t) = sin(t+45 o ) y(t) = sin(t 45 o ) 9. Il metodo della Trasformata di Laplace nella risoluzione di equazioni differenziali lineari a parametri concentrati permette di calcolare la risposta libera del sistema permette di calcolare la risposta forzata del sistema può essere utilizzato solo nel caso di equazioni tempo invarianti può essere utilizzato anche nel caso di equazioni tempo varianti 1. Linearizzando il sistema ẋ 1 = x 1 +(sin (x 1 )+1)x +u ẋ = x y = x 1 +cos(x )u [ intorno al punto di equilibrio x =, ū = si ottiene un sistema Lineare Tempo-Invariante caratte- rizzato dalle matrici [ [ 1 A =, B = 1 [ [ 1 A =, B = 1 [ [ 1 A =, B = 1 [ [ 1 A =, B = 1, C = [1, D = 1, C = [1, D =, C = [1 1, D = 1, C = [1 1, D =

9 Cognome: Nome: N. Matr.: Ho seguito il corso con Prof. Giarré Prof. Biagiotti Controlli Automatici - Parte A Ingegneria Meccanica e Ingegneria del Veicolo Compito del 17 luglio 18 - Esercizi Rispondere in maniera analitica ai seguenti quesiti (gli studenti dovranno rispondere ai quesiti contrassegnati solo con lettere o col nome del docente di cui hanno seguito il corso più una lettera). I problemi e le domande a risposta aperta si ritengono superati se vengono conseguiti almeno metà dei punti totali (11 su ), diversamente il compito verrà ritenuto insufficiente a prescindere dal risultato della prima prova. a) Determinare la trasformata di Laplace X i (s) dei seguenti segnali temporali x i (t): x 1 (t) = ( 5+e 3t) cos(3t), x (t) = ( δ(t)+1+t 3 e t) X 1 (s) = 5s s +9 + s+3 (s+3) +9, X (s) = + s + 1 (s+1) 4 Giarré - b) Dato il sistema definito nello spazio degli stati come { ẋ(t) = Ax(t)+Bu(t) y(t) = Cx(t)+Du(t) con A = [ [, B =, C = [.5, D = [ 1 b.1) Determinare la corrispondente funzione di trasferimento G(s) = Y(s) U(s) ; Calcolando G(s) = B(sI A) 1 C +D si ottiene G(s) = s +4s+5 s +4s+4 b.) Calcolare analiticamente la risposta all impulso di G(s). La risposta all impulso di G(s) ovvero la sua antitrasformata di Laplace puó essere ottenuta scomponendo G(s) come s G(s) = 1+ (s+) dove la costante 1 dipende dal fatto che la funzione di trasferimento G(s) ha grado relativo nullo. Pertanto, antitrasformando, risulta y(t) = 1δ(t)+e t te t. Biagiotti - b) Calcolare la risposta impulsiva g i (t) delle seguenti funzioni di trasferimento G i (s): G 1 (s) = 9s +3s+4 s 3 +6s +8s, G (s) = s 1 (s+) (s+1) La funzione G 1 (s) può essere riscritta come G 1 (s) = 1 s+ + 5 s s

10 pertanto la sua risposta impulsiva risulta La funzione G (s) può essere riscritta come di conseguenza la sua risposta impulsiva risulta PSfrag replacements c) Dato il seguente schema a blocchi: g 1 (t) = e t +5e 4t +3. G (s) = s+ + 3 (s+) s+1 g (t) = e t +3te t e t D X(s) A B C Y(s) G E F utilizzando la formula di Mason calcolare la funzione di trasferimento G(s) che lega l ingresso X(s) all uscita Y(s). G(s) = Y(s) X(s) = ABC +DC(1+BE) 1+BE +CF +ABC +BECF 1(s+5)(s+.1) d) Sia data la funzione di trasferimento G(s) = (s +6s+49)(s+1)(1+1s) Disegnare l andamento qualitativo della risposta y(t) a un gradino in ingresso di ampiezza 5, x(t) = 5. Calcolare il valore a regime y dell uscita y(t) del sistema, stimare qualitativamente il tempo di assestamento T a del sistema e il periodo T ω dell eventuale oscillazione smorzata. Il sistema ha un polo dominante reale p =.1 pertanto la risposta al gradino sarà di tipo aperiodico, come mostrato in figura.6 PSfrag replacements X(s) Y(s) A B C D E F G y(t) y T a t [s

11 Il valore a regime dell uscita per un gradino in ingresso di ampiezza A = risulta y = AG() = 5.1 =.51 Il tempo di assestamento T a è e il periodo dell oscillazione non esiste. T a = 3 p = 3 = 3 s,.1

12 e) Sia dato il seguente sistema retroazionato: d(t) r(t) e(t) K G(s) (s 3) s(s +13s+169) y(t) e.1) Determinare per quali valori del parametro K il sistema retroazionato è asintoticamente stabile. l equazione caratteristica del sistema retroazionato è (s 3) 1+K s(s +13s+169) = s3 +13s +(169+K)s 3K = La corrispondente tabella di Routh è la seguente K 13 3K K K > K K < Quindi il sistema retroazionato è asintoticamente stabile per: K = < K < La pulsazione ω corrispondente al valore limite K è: ω = 3K rad/s e.) Posto K = 1, calcolare l errore a regime e quando sul sistema retroazionato agiscono contemporaneamente il segnale di riferimento r(t) = 4+t e il disturbo d(t) = sin(t) Dato che il sistema è lineare e soggetto quindi alla sovrapposizione degli effetti, l errore E(s), espresso mediante la trasformata di Laplace, risulterà: E(s) = E r (s)+e d (s) dove E r (s) è l errore dovuto al riferimento mentre E d (s) è l errore dovuto al disturbo. L errore e r ( ) dovuto al riferimento costante sarà nullo, essendo il sistema considerato di tipo 1, mentre è necessario calcolare l errore di inseguimento del riferimento a rampa, che è dato da: e r = R K v = = dove R = è la pendenza della rampa e K v è dato da lim skg(s) = s Per quanto riguarda il calcolo dell errore dovuto al disturbo d(t): E d (s) = F d (s)d(s) dove D(s) è la trasformata di Laplace di d(t) e F d (s) è la funzione di trasferimento tra D(s) e E d (s) che vale F d (s) = G(s) 1+KG(s) = (s 3) s 3 +13s +69s+3. Essendo d(t) sinusoidale è possibile sfruttare il concetto di risposta armonica ottenendo e d (t) = F d (j) sin(t+arg{f d (j)}) con F d (j) =.19 e arg{f d (j)} = o = 5.14 rad. In conclusione, e = e r +e d = sin(t+5.14).

13 e.3) Tracciare (nello schema fornito in allegato) i diagrammi asintotici di Bode delle ampiezze e delle fasi della funzione G(s). Vedi figura in fondo. Biagiotti - e.4) Tracciare qualitativamente il luogo delle radici del sistema retroazionato valori negativi del parametro K. Determinare esattamente gli asintoti, il centro degli asintoti, le intersezioni con l asse immaginario e i corrispondenti valori del guadagno K. Essendo il grado relativo del sistema, esistono asintoti che formano una stella con centro nel punto sull asse reale di ascissa σ a = 1 ( 13 3) = 8 e che in questo caso appartengono all asse reale. Il luogo delle radici finale è riportato nella seguente figura. Root Locus 15 PSfrag replacements X(s) Y(s) A B C D E F G Imaginary Axis (seconds -1 ) σ a Real Axis (seconds -1 ) Dall analisi svolta mediante il criterio di Routh, risulta che il luogo delle radici attraversa l asse immaginario in corrispondenza di ±jω = ±j5.63 per K = K = Giarré - e.4) Disegnare qualitativamente il diagramma di Nyquist della funzione di risposta armonica G(jω) per valori positivi della pulsazione. Calcolare esattamente la posizione σ di un eventuale asintoto, le eventuali intersezioni con l asse reale e i corrispondenti valori delle pulsazioni. Il diagramma di Nyquist della funzione G(s) è riportato in figura.

14 .5.4 PSfrag replacements X(s) Y(s).3. A.1 B C D E F -.1 G -. σ Le funzioni approssimanti G (s) e G (s) per ω ed ω sono le seguenti: G (s) =.178, G (s) = 1 s s. Le corrispondenti fasi ϕ e ϕ hanno il seguente valore: ϕ = 3π = π, ϕ = π. Il diagramma parte all infinito con fase iniziale ϕ = π e giunge nell origine con fase finale ϕ = π. Il parametro τ vale τ = =.413< pertanto il diagramma parte in ritardo rispetto alla fase iniziale ϕ. Il sistema è di tipo 1 pertanto esiste un asintoto verticale la cui ascissa è Il parametro p vale σ =.178 τ =.73. p = 3+13 = 16 > pertanto il diagramma arriva in anticipo rispetto alla fase finale ϕ. Lo sfasamento complessivo è ϕ = 3 π. Dal diagramma risulta inoltre esistere un intersezione con l asse reale negativo, che in virtù dell analisi svolta con Routh al primo punto risulta essere pari a σ = 1 K = 1 ( 137.3) =.73. f) Si faccia riferimento al diagrammi di Bode delle ampiezze e delle fasei della funzione G(s) mostrati in figura.

15 6 4 Modulo M [db PSfrag replacements X(s) Y(s) Fase φ [gradi A B C D E F G Pulsazione ω [rad/s f.1) Si richiede di ricavare l espressione analitica della funzione G(s). G(s) = 5.65(1 9 s s+1)( 1 s+1) ( 1.64 s s+1) =.1(s +1.s+9)(s ) (s +.8s+.64) dove il valore µ 5.65 si determina direttamente leggendo dal diagramma di Bode il valore del modulo in bassa frequenza della G(s) G() 15 db 5.6 Il segno sarà positivo poichè il sistema ha fase iniziale nulla. In corrispondenza di ω =.8 rad/s è presente una coppia di poli complessi coniugati stabili (essendo lo sfasamento 18 o ) caratterizzati da δ =.5 (come si evince dal fatto che diagramma asintotico e diagramma reale si intersecano proprio in corrispondenza del punto di rottura in.8). In corrispondenza di ω = 3 rad/s è presente una coppia di zeri complessi coniugati stabili (sfasamento +18 o ) con ζ =.. Infatti ζ = M α n.4 =.. La distanza M αn 8 db.4 si legge dal diagramma di Bode dei moduli. In corrispondenza di ω = rad/s è presente una coppia di zeri reali coincidenti, infatti il diagramma reale si trova tutto al di sopra della sua approssimazione asintotica. Il loro segno è positivo (quindi sono instabili) essendo lo sfasamento prodotto pari a 18 o. f.) La funzione G(s) può rappresentare un sistema fisico? Si chiede di rispondere motivando la risposta. Avendo più zeri che poli il sistema G(s) non è fisicamente realizzabile e quindi non può rappresentare alcun sistema fisico.

16 Cognome: Nome: N. Matr.: 4 Diagrammi di Bode Modulo M [db Fase φ [gradi Pulsazione ω [rad/s