FONDAMENTI DI AUTOMATICA / CONTROLLI AUTOMATICI

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1 FONDAMENTI DI AUTOMATICA / CONTROLLI AUTOMATICI Guida alla soluzione degli esercizi d esame Dott. Ing. Marcello Bonfè Esercizi sulla scomposizione di modelli nello spazio degli stati: Gli esercizi nei quali viene dato un modello matematico del tipo: con le relative matrici A,B,C di opportune dimensioni, e che richiedono di calcolare gli autovalori della parte raggiungibile-controllabile OPPURE della forma minima (ricordando che quest ultima corrisponde alla parte osservabile-ricostruibile) del sistema, devono essere risolti anzitutto calcolando la matrice di raggiungibilità: per il primo caso OPPURE la matrice di osservabilità: per il secondo caso (n è in entrambi i casi la dimensione della matrice quadrata A). Suggerimento: Il calcolo di P o di Q T richiede il calcolo di potenze successive della matrice A o A T, le quali devono poi essere post-moltiplicate per B o C T. Se queste ultime matrici hanno molti elementi nulli, si può osservare che il risultato del prodotto tra esse e le potenze di A o A T corrisponde alla selezione di alcune delle colonne di A o A T e delle loro potenze. Si può pertanto ridurre notevolmente la quantità di calcoli da svolgere, limitandosi al calcolo delle sole colonne di A o A T (e potenze) che effettivamente compariranno nella matrice P o Q T. Si consideri ad esempio l esercizio N. 4 della PROVA 1 della raccolta manoscritta di esercizi pubblicate dal Prof. Sergio Beghelli (docente del corso in oggetto fino al 2011) 1, il cui testo richiede di calcolare gli autovalori della parte raggiungibile-controllabile ed indica le matrici: 1 Salvo alcuni riferimenti a testi d esame specifici, tutti gli esempi numerici forniti nel seguito della guida faranno riferimento a tale raccolta di esercizi, scaricabile dal sito web del corso in oggetto, nella parte finale della pagina della pagina web relativa al materiale didattico.

2 Calcolando il prodotto A B: Come si può notare, tale matrice risulta essere la seconda colonna di A. Qualora fosse stata data la matrice B: si sarebbe ottenuto un risultato costituito dalla seconda e dalla quarta colonna di A. Tornando al testo proposto dall esercizio, il procedimento richiede di calcolare il prodotto A 2 B:

3 Ovviamente, il risultato ottenuto è ancora la seconda colonna di A 2. Si può quindi evitare di calcolare per esteso tutta la matrice A 2 e di conseguenza anche le successive potenze di A, ma è sufficiente calcolare la colonna di interesse. Quest ultima è costituita dai seguenti elementi: - Prodotto della prima riga di A per seconda colonna di A - Prodotto della seconda riga di A per seconda colonna di A - Prodotto della terza riga di A per seconda colonna di A - Prodotto della quarta riga di A per seconda colonna di A Il risultato finale richiesto dall esercizio è quindi completato dal calcolo di A 3 B, analogo a quello di A 2 B, e di P: Una volta calcolata la matrice P o Q T, si può osservare che se questa ha rango r < n, significa che si possono determinare r colonne linearmente indipendenti ed ortonormali, sulla base delle r colonne indipendenti di P, eventualmente ortonormalizzate (ad esempio applicando il metodo di Gram-Schmidt). A queste r colonne se ne devono poi affiancare altre n r, linearmente indipendenti tra loro e rispetto alle r ottenute da P o Q T, in modo da ottenere una matrice di trasformazione T che permette di scomporre il sistema nelle parti raggiungibile-controllabile OPPURE osservabile-ricostruibile (forma minima) e non. Si consideri ancora come esempio l esercizio N. 4 della PROVA 1. La matrice P ottenuta in precedenza ha rango 2, in quanto la terza colonna e la quarta colonna sono dipendenti dalle prime due (la terza colonna è infatti = B*6 A B, cioè la prima colonna moltiplicata per 6 meno la seconda colonna, mentre la quarta è = (A B)*7 B*6), mentre le prime due colonne sono linearmente indipendenti e possono essere ricondotte per ortonormalizzazione a quelle della seguente matrice: NOTA: questo risultato non richiede l applicazione esplicita del metodo di Gram-Schmidt (peraltro NON oggetto del corso di Fondamenti di Automatica / Controlli Automatici), ma risulta evidente dall osservazione degli elementi non nulli sulle prime due colonne di P.

4 Per ottenere una matrice di trasformazione coerente occorre affiancare alla T 1 ottenuta, la matrice: con la quale si ottiene: Applicando tale matrice di trasformazione alla matrice originaria A si ottiene la parte raggiungibile-controllabile di ordine 2. Senza svolgere esplicitamente i calcoli, si può anche facilmente osservare che tale sotto-parte del sistema si ottiene eliminando dalla equazione di stato originaria le variabili di stato x 1 e x 3, in quanto sono solo gli elementi in prima e terza posizione delle colonne di T 2 (la sotto-matrice di trasformazione che identifica la parte NON raggiungibile-controllabile) ad essere diversi da zero. Si ottiene pertanto che la matrice di stato di questa sotto-parte è (sono evidenziate le parti eliminate inerenti alla prima e terza variabile di stato, NON raggiungibili-controllabili): Il testo richiede di determinare gli autovalori della parte raggiungibile-controllabile, perciò rimane da analizzare la matrice A c1 : come si può notare, essendo triangolare inferiore gli autovalori sono gli elementi sulla diagonale, quindi 2 e -3, e si è quindi ottenuta la risposta finale richiesta dall esercizio: Autovalori = [ 2-3 ] ESERCIZI ANALOGHI:

5 - PROVA 2 N. 1: è richiesta la forma minima = parte osservabile-ricostruibile, matrice C = [ ]. Il rango di Q T è 3, le variabili di stato da eliminare per ottenere la forma minima sono la terza e la quinta. La matrice A o1 ottenuta dall eliminazione di queste variabili è ancora triangolare inferiore e ha autovalori: -4, -2, PROVA 3 N. 6: analogo a quello descritto in precedenza, variabili di stato NON raggiungibili-controllabili: prima e terza, autovalori della parte raggiungibilecontrollabile: 1, - 2, -3 - PROVA 4 N. 3: analogo a quello descritto in precedenza, variabili di stato NON raggiungibili-controllabili: seconda e quarta, autovalori della parte raggiungibilecontrollabile: -3, 2, -1 - PROVA 5 N. 2, ecc.. Esercizi sul progetto di retroazioni stato-ingresso, uscita-ingresso o osservatori Gli esercizi nei quali viene dato un modello matematico del tipo: e viene richiesto di progettare una retroazione stato-ingresso OPPURE uscita-ingresso OPPURE un osservatore dello stato, in modo da assegnare ad un determinato valore il massimo numero di autovalori, vanno risolti anzitutto calcolando la matrice del sistema ad anello chiuso OPPURE dell osservatore. Per i tre possibili casi, si ottiene: - A + B H per la retroazione stato-ingresso, con H di dimensione opportuna in modo che il prodotto B H sia una matrice quadrata della stessa dimensione di A - A + B K C per la retroazione ingresso-uscita, con K di dimensione opportuna in modo che il prodotto B K C sia una matrice quadrata della stessa dimensione di A - A + K C per l osservatore dello stato, con K di dimensione opportuna in modo che il prodotto K C sia una matrice quadrata della stessa dimensione di A NOTA: La retroazione stato-ingresso modifica solo gli autovalori della parte raggiungibilecontrollabile del sistema, quella uscita ingresso solo gli autovalori della parte raggiungibilecontrollabile E osservabile-ricostruibile, mentre nell osservatore dello stato sono assegnabili solo gli autovalori della parte osservabile-ricostruibile (forma minima). TUTTAVIA, non è in generale necessario scomporre esplicitamente il sistema di partenza nelle varie sotto-parti per poter risolvere questo genere di esercizi. Una volta calcolata la matrice ad anello chiuso, essa risulterà avere degli elementi dipendenti dai coefficienti incogniti delle matrici di retroazione H o K. Pertanto, alcuni degli autovalori della matrice risulteranno dipendenti da questi coefficienti, sebbene in generale non da TUTTI i coefficienti incogniti. Qualora ciò avvenga, cioè vi siano coefficienti della matrice H o K che NON influenzano gli autovalori del sistema ad anello chiuso, tali coefficienti verranno indicati come arbitrari nella soluzione dell esercizio. Si consideri ad esempio l esercizio N. 3 della PROVA 1, il cui testo impone:

6 e richiede di progettare una retroazione uscita-ingresso. La matrice incognita della retroazione deve essere di dimensione 1 x 2 (una riga e due colonne), in modo tale che pre-moltiplicata per B risulti una matrice 4 x 2, la quale poi post-moltiplicata per C diventa una 4 x 4. La matrice B K C, con K = [ k 1 k 2 ], risulta: e pertanto: Come si può osservare, tale matrice ha una struttura triangolare a blocchi. Gli autovalori sono pertanto quelli delle due sotto-matrici 2 x 2 sulla diagonale, una delle quali indipendente dai coefficienti della matrice K, cioè quella indicata con 1-1, i cui autovalori sono -3 e -1. Per assegnare al valore -3 il massimo numero di autovalori, come richiesto dall esercizio, è necessario quindi analizzare solo la sotto-matrice 2 x 2 in basso a destra, indicata con 2-2. Calcolando il polinomio caratteristico di tale sotto-matrice, cioè il determinante di:

7 2x2 2-2 ed uguagliandone i singoli coefficienti a quelli del polinomio del secondo ordine che, uguagliato a zero, ha due soluzioni corrispondenti a -3, cioè: si ottiene il seguente sistema di equazioni: Risolvendo tale sistema nelle incognite k 1 e k 2 si ottiene il risultato finale: K = [ -1-4] NOTA: E di particolare importanza per lo svolgimento di questo tipo di esercizi osservare correttamente il partizionamento in blocchi di una matrice (normalmente fornita triangolare dal testo per agevolare i calcoli) e riconoscere i blocchi sulla diagonale. Non è detto che i blocchi siano sempre della stessa dimensione. Ad esempio, si consideri l esercizio 3 del compito di CONTROLLI AUTOMATICI del 25 gennaio 2012, che fornisce la seguente matrice: In tal caso, la matrice è scomponibile come evidenziate dalle righe orizzontali e verticali e le sottomatrici sulla diagonale sono evidenziate in rosso. Quella 2x2 al centro è anche l unica che è influenzata dai coefficienti della matrice di retroazione K. ESERCIZI ANALOGHI:

8 - PROVA 2 N. 3: analogo a quello descritto in precedenza, ma la matrice K risulta uno scalare, inoltre la struttura della matrice A + B K C triangolare a blocchi è tale che solamente la sottomatrice 2x2 in basso a destra è influenzata dalla retroazione. Infine, anche tale sottomatrice 2x2 è triangolare inferiore. L unico autovalore modificabile è quindi quello nella quarta posizione sulla diagonale della A + B K C, che risulta essere 3 k1 3. Pertanto, la riposta finale è : K = [ -1] - PROVA 3 N. 4: analogo a quello descritto in precedenza, la matrice K è una 2x2. La struttura della matrice A + B K C è triangolare a blocchi e dei blocchi sulla diagonale solamente la sottomatrice 2x2 in basso a destra è influenzata dalla retroazione. Anche la sottomatrice in alto a destra è influenzata da K, ma NON essendo sulla diagonale non ha interesse per il calcolo degli autovalori. Infine, anche la sottomatrice 2x2 in basso a destra è triangolare inferiore. L unico autovalore modificabile è quindi quello nella quarta posizione sulla diagonale della A + B K C, che risulta essere k1 4. Pertanto, la riposta finale è : K = [ -1] - PROVA 3 N. 9: il testo richiede di progettare un osservatore identità. Si deve quindi calcolare A + K C, con K di dimensione 2 x 1 (due righe e una colonna). Uguagliando i coefficienti del polinomio caratteristico, in funzione di K, a quelli del polinomio che uguagliato a zero ha due soluzioni in -5, si ottiene come risultato finale: K = [ ] - PROVA 4 N. 1: il testo richiede di progettare una retroazione stato-ingresso. Sebbene il testo fornisca anche la matrice C, questa non è di interesse per la soluzione dell esercizio, in quanto la matrice del sistema ad anello chiuso è A+B H. La matrice H deve quindi essere una 1 x 4 (una riga con quattro elementi). La matrice A+B H risulta essere una triangolare a blocchi nella quale solo il blocco 2x2 in alto a sinistra risulta essere influenzato dai coefficienti di H e, tra questi, solamente dai coefficienti h 1 e h 2. Applicando a tale sottomatrice il metodo basato sull uguaglianza dei coefficienti del polinomio caratteristico con quelli del polinomio con due soluzioni in -3, il risultato finale è: H = [-1-2 arb. arb.] - PROVA 5 N. 1: ecc. Esercizi su esponenziale di matrice, modi e risposte: In molti esercizi viene richiesto, anche se non esplicitamente, di calcolare l esponenziale di una matrice quadrata, che come noto descrive i modi delle variabili di stato di un sistema dinamico lineare: Ad esempio, può essere in genere richiesto di calcolare lo stato ad un certo istante di tempo, dato il valore dello stato ad un altro istante di tempo (sia precedente che successivo). Il calcolo della esponenziale di matrice si effettua applicando il metodo del polinomio interpolante, come mostrato nell esempio a pagina 56 e successive della dispensa FdA-1.3-Analisi_2015.pdf. Nei casi particolari in cui gli autovalori abbiano molteplicità non unitaria, il procedimento si modifica leggermente, come mostrato nella pagina 52 della stessa dispensa e nell esempio di pagina 59. Si consideri ad esempio l esercizio N.1 della PROVA 6, il cui testo definisce la matrice:

9 La quale essendo triangolare ha un autovalore con molteplicità doppia = -4. La matrice esponenziale va calcolata come segue: I coefficienti funzionali incogniti equazioni espresso come segue: si ottengono dalla soluzione del sistema di Risolvendo il quale si ottiene: E quindi: Il calcolo della matrice esponenziale serve anche per determinare la matrice di risposta impulsiva, dato un sistema LTI completo: per il quale la risposta impulsiva è:

10 Per lo stesso tipo di sistema, può essere spesso richiesto di calcolare la funzione di trasferimento. Il problema in questo caso non si risolve calcolando la matrice esponenziale, ma piuttosto l inversa della matrice (si A), la quale è collegata alla matrice esponenziale solo perché ne è la trasformata di Laplace. La funzione di trasferimento è infatti: Per tale tipo di problema si può fare quindi riferimento all esempio a pagina 37 della dispensa FdA-2.1-FunzioniTrasferimento_2015.pdf. Esercizi su trasformate di Laplace, funzioni di trasferimento e risposte: In alcuni esercizi viene richiesto di calcolare la trasformata di Laplace DI UN SEGNALE, descritto in modo grafico come diagramma temporale. Per risolvere tale tipo di esercizi si può fare riferimento agli esempi di pagina 25 e 27 della dispensa FdA-2.1- FunzioniTrasferimento_2015.pdf. Si ricorda di osservare attentamente, nei diagrammi forniti dal testo degli esercizi sul tale argomento, le discontinuità del segnale (dovuti all introduzione di un gradino nell istante di tempo corrispondente alla discontinuità). In altri esercizi invece, è richiesto (seppure in generale NON in modo esplicito) di calcolare l anti-trasformata di Laplace di una funzione di trasferimento, data dal testo. Esempi di questa tipologia di esercizi sono: Quelli che richiedono di calcolare la risposta impulsiva di un sistema data la sua funzione di trasferimento, come ad esempio l esercizio N. 10 della PROVA 2. Infatti, la risposta impulsiva è l anti-trasformata della G(s), in quanto: Quelli che richiedono di calcolare la riposta di un sistema data la sua funzione di trasferimento e la trasformata di Laplace dell ingresso, come ad esempio l esercizio N. 2 della PROVA 6. In questo caso, infatti: Y(s) = G(s) U(s) y(t) = anti-trasformata di Y(s) Per il calcolo dell anti-trasformata di una trasformata di Laplace si può fare riferimento al metodo della scomposizione in fratti semplici descritto nelle pagine 4-9 (con esempi alle pagine 10-12) della dispensa FdA-2.2-RispostaSistemiElementari_2015.pdf facendo attenzione al caso particolare di poli complessi e coniugati. ESEMPIO 1:

11 ESEMPIO 2: ( ) NOTA: In una ulteriore e differente tipologia di esercizi si richiede di calcolare la risposta di un sistema data la sua funzione di trasferimento e dato un ingresso sinusoidale. Tali esercizi

12 si riferiscono invece al calcolo del regime sinusoidale determinato dalla funzione di risposta armonica corrispondente alla funzione di trasferimento (vedi pagine 7 e della dispensa FdA-2.3-DiagrammiBode_2015.pdf). In questi casi quindi è necessario calcolare il modulo e l argomento della F( ω) G( s) G( jω) ω = = s = j alla pulsazione corrispondente a quella della sinusoide d ingresso. Da questi due valori, si ottengono poi le caratteristiche della risposta sinusoidale come appunto descritto dalla pagina 7 citata, cioè l ampiezza della sinusoide va moltiplicata per il modulo della F(ω), calcolata nel valore di ω corrispondente alla pulsazione della sinusoide di ingresso (es. se sin(3 t), allora ω=3) e nella funzione seno ad ωt va sommato l argomento della F(ω), sempre calcolata nel valore di pulsazione della sinusoide di ingresso. Esercizi sulla riduzione di diagrammi a blocchi: Per determinare la funzione di trasferimento di un sistema descritto da un diagramma a blocchi si possono applicare le regole grafiche descritte sulle dispense (vedi FdA-2.1- FunzioniTrasferimento_2015.pdf). Poiché il problema è intrinsecamente legato all aspetto grafico del diagramma specifico e poiché ogni esercizio può in genere essere risolto correttamente in più di un modo (es. spostando prima una certa diramazione, o un nodo sommatore, a monte o a valle piuttosto che un altra, o altro), non è possibile fornire una singola regola generale valida per tutti gli esercizi. E tuttavia possibile fornire alcuni suggerimenti ragionevoli : 1. Gli schemi con rami in retroazione richiedono l applicazione della regola di riduzione dell anello. Se sono presenti più rami di retroazione, i relativi anelli possono essere ridotti solo se sono in serie (e quindi indipendenti) tra loro, oppure l uno annidato nell altro, nel qual caso dovranno essere risolti in sequenza partendo da quello più interno. Se invece vi sono rami che rendono gli anelli intrecciati tra loro, come nell esempio seguente (esercizio N.4 PROVA 4) gli anelli aventi rami di retroazione con i blocchi B ed E: la riduzione immediata degli anelli intrecciati non è possibile. Nel caso particolare di tale esempio (altri andranno analizzati in modo specifico), è sufficiente spostare la diramazione che si trova dopo il blocco C a valle dell anello che include D (che può essere immediatamente risolto sostituendolo con un blocco D/(1+D), non essendo influenzato da altri rami), rispettando la regola relativa (cioè moltiplicando il ramo spostato per (1+D)/D), per ottenere uno schema in cui tutti gli anelli residui (cioè tre) sono annidati tra loro e quindi possono essere risolti uno dopo l altro, partendo da quello più interno.

13 2. In altri casi, ciò che impedisce la riduzione di un anello è la presenza di una diramazione uscente da un punto interno dell anello e che raggiunge un nodo sommatore esterno all anello. Un tipico esempio è quello dell esercizio N. 1 di PROVA 8: Qui è l anello con retroazione D che non può essere risolto se prima non viene liberata la diramazione entrante in F. Tale diramazione può essere spostata a valle di E, ottenendo così uno schema in cui l anello citato e il parallelo tra un ramo unitario e il blocco F/E sono in serie tra loro. 3. In altri casi ancora, gli intrecci tra anelli o diramazioni in parallelo sono solo apparenti. Talvolta invertendo l ordine nodi sommatori immediatamente in serie tra loro (operazione che di fatto NON modifica il diagramma, visto che cambiando l ordine di addendi la somma non cambia) OPPURE l ordine di due diramazioni, sempre se queste sono l una immediatamente dopo l altra (cioè in pratica tali rami prelevano sempre lo stesso segnale!), il diagramma ridisegnato (ma non sostanzialmente modificato) evidenzia l assenza di anelli intrecciati. Un esempio, NON tratto dalla raccolta di esercizi del Prof. Sergio Beghelli, è il seguente: In tal caso, invertendo l ordine dei due nodi sommatori indicati con 1 e 2, risulta più evidente che il parallelo tra B e C e l anello tra un ramo unitario e D sono assolutamente indipendenti (i.e. in serie tra loro). NOTA 1: Una utile raccolta di esempi focalizzata sulla riduzione per via grafica dei diagrammi a blocchi si può scaricare a questo link, per gentile concessione della Prof.ssa Mariagrazia Dotoli del Politecnico di Bari: NOTA 2: Il suggerimento in casi di difficoltà della risoluzione con il metodo grafico è quello di fare una controprova con il metodo alternativo basato sulla risoluzione di un sistema di

14 equazioni, come descritto a pagina 91 della dispensa FdA-2.1- FunzioniTrasferimento_2015.pdf. Si consideri infine che non è necessario che il risultato venga fornito con la semplificazione completa del numeratore e del denominatore della funzione di trasferimento complessiva, ma è sufficiente che venga evidenziato il modo con cui è stata considerata l interconnessione dei vari blocchi. Esercizi sui diagrammi di Bode: Gli esercizi sui diagrammi di Bode richiedono normalmente di determinare la funzione di trasferimento compatibile con un diagramma delle ampiezze approssimato fornito nel testo dell esercizio. Il testo dell esercizio specifica normalmente che si suppone che il sistema sia a fase minima, cioè con tutti i poli e gli zeri a parte reale negativa. La funzione di trasferimento cercata è quindi del tipo descritto alle pagine 19 o 20 della dispensa FdA-2.3-DiagrammiBode_2015.pdf, che si può ottenere in modo relativamente semplice applicando le considerazioni di pagina della stessa dispensa. Per risolvere tale esercizio occorre anzitutto determinare i valori dei poli e degli zeri e la loro molteplicità. Ciò risulta pressochè immediato analizzando i punti di rottura del diagramma e la pulsazione corrispondente, ricordando che tali punti di rottura si trovano in corrispondenza di: ω = 1 τ per i contributi del tipo (POLO o ZERO) La molteplicità del polo o dello zero corrispondente dipende dalla pendenza che assume il diagramma approssimato in quel punto di rottura: per ogni polo la pendenza cala di 20 db/decade (pendenza = -1 su un diagramma logaritmico), per ogni zero aumenta di 20 db/decade (pendenza = +1 su un diagramma logaritmico). Per determinare il coefficiente K della funzione di trasferimento, ciò è semplice se il diagramma non ha poli/zeri nell origine (pendenza nulla per ω 0 ), mentre se il diagramma ha una pendenza iniziale diversa da zero (presenza di uno o più poli/zeri nell origine) occorre ricordare l osservazione di pagina 54 della dispensa FdA-2.3- DiagrammiBode_2015.pdf: si deve cioè determinare il guadagno K dal punto di intersezione tra il prolungamento del tratto iniziale e l asse delle ordinate in. Si consideri ad esempio l esercizio N. 5 della PROVA 8: ( sτ +1)

15 10 3 log( G(jω) ) log(ω) Come si può notare la figura ha una pendenza iniziale -1 (20 db/decade) ed il prolungamento del tratto iniziale passa per il punto (,. G = 10). Il coefficiente K è quindi = 10. Osservando il cambiamento della pendenza a pulsazione = 0,1 (un polo), = 1 (uno zero doppio, in quanto la pendenza passa da -2 a 0) e = 100 (un polo), la funzione di trasferimento cercata è (nella forma descritta a pagina 20 di FdA-2.3- DiagrammiBode_2014.pdf): Esercizi di progetto del guadagno di un controllore (con criterio di Routh o SENZA): L applicazione del criterio di Routh non è in genere richiesta esplicitamente dal testo di un esercizio. Tuttavia, TUTTI gli esercizi che richiedono di determinare i valori di un certo parametro (solitamente il guadagno K) tali per cui un sistema in retroazione risulta stabile, richiedono l applicazione di tale criterio. La tabella di Routh ottenuta in questi casi è espressa in modo simbolico dipendente dal parametro. Pertanto, la necessità di garantire la persistenza del segno dei termini nella prima colonna della tabella di Routh impone dei vincoli di disuguaglianza, che possono determinare un intervallo di valori ammissibili per il parametro, come appunto richiesto dal testo dell esercizio. Un esempio di tale tipo di problema è esposto anche a pagina della dispensa FdA- 2.4-StabilitaFdT-LuogoRadici_2015.pdf. NOTA 1: In alcuni esercizi, come ad esempio l esercizio N. 8 di PROVA 3, è richiesto di calcolare il valore di K per cui due poli sono sull asse immaginario. Tale condizione corrisponde alla stabilità marginale del sistema, per cui si può determinare applicando il criterio di Routh ed

16 imponendo che i termini della prima colonna dipendenti da K, anziché avere lo stesso segno dei termini noti nelle righe precedenti o successive, siano NULLI. In tal caso infatti, il sistema avrà appunto dei poli a parte reale nulla (puramente immaginari). Fissato il valore di K ottenuto, il denominatore della funzione di trasferimento AD ANELLO CHIUSO risulta assegnato e pertanto sarà possibile calcolarne esplicitamente i poli. In particolare, nell esercizio considerato (PROVA 3 N.8) con K = 8 (vi sarebbe un altra soluzione ottenuta dalla tabella di Routh, K = 0, ma non ammissibile) il denominatore del sistema uguagliato a zero diventa: s s s + 8 = 0 Si può osservare che è possibile raccogliere un fattore (s+4): s 2 (s + 4) + 2(s + 4) = 0 (s 2 + 2)(s + 4) = 0 Pertanto i due poli complessi coniugati sono NOTA 2: Altri esercizi, come ad esempio l esercizio N. 4 di PROVA 8, richiedono di calcolare il valore di K in modo che il sistema in retroazione sia in una condizione più generica di quella di avere due poli sull asse immaginario. In particolare, l esercizio considerato richiede di calcolare K in modo che il sistema abbia due poli coincidenti. In questo caso NON va applicato il criterio di Routh, ma semplicemente occorre considerare che il denominatore del sistema chiuso in retroazione deve essere compatibile con il seguente, espresso in modo simbolico in funzione del valore incognito del polo duplice: (s - a) 2 = s 2-2 a s + a 2 Poiché il denominatore del sistema in retroazione in funzione di K è: s s K E facile calcolare che il parametro incognito a deve valere 5/2, di conseguenza K = 1/4. ESERCIZI ANALOGHI (senza l uso del criterio di Routh: In generale tutti gli esercizi in cui è richiesto di calcolare il valore del guadagno K e/o di un altro parametro, in modo che il sistema in retroazione abbia un determinato coefficiente di smorzamento e/o pulsazione naturale e/o tempo di assestamento e/o valori specifici dei poli desiderati (v. PROVA 2 N. 8, PROVA 4 N. 9, PROVA 5 N. 8, PROVA 6 N. 4 ecc.). In tali esercizi, si deve considerare come riferimento il denominatore di un generico sistema del secondo ordine:

17 e ricordare che è il coefficiente di smorzamento, è la pulsazione naturale e che il tempo di assestamento di questo tipo di sistema è: Esercizi sull errore a regime o sul valore a regime della riposta: Negli esercizi sul calcolo dell errore a regime può essere necessario applicare le considerazioni delle pagine della dispensa FdA-2.4-StabilitaFdT- LuogoRadici_2015.pdf, in quanto gli schemi a blocchi proposti dal testo spesso presentano funzioni di trasferimento NON unitarie nel ramo di retroazione. Si consideri ad esempio l esercizio N. 8 di PROVA 5, che propone uno schema a blocchi riconducibile a quello di pagina 43 della dispensa considerando: Applicando il teorema dell errore a regime, come da ultima riga della pagina 52, si ottiene: Con le opportune semplificazioni ed uguagliando l errore a regime a 0,01 (o 1/100) si ottiene K = 99 / 11 = 9. NOTA 1: In alcuni esercizi, come ad esempio l esercizio N. 10 di PROVA 4, è richiesto di calcolare l errore a regime con un ingresso di riferimento = 0 e con un gradino applicato al segnale di disturbo d(s), entrante nell anello subito prima del blocco che solitamente rappresenta il plant (sistema da controllare). Un altro esercizio simile è quello N. 10 di PROVA 10, che differisce dal precedente in quanto richiede di calcolare l uscita y(t) a regime, anziché l errore. In entrambi i casi è necessario applicare una opportuna riorganizzazione dello schema a blocchi, al fine di ricondursi allo schema di pagina 43 della dispensa FdA-2.4-StabilitaFdT- LuogoRadici_2015.pdf per il calcolo dell errore a regime, oppure al fine di calcolare la funzione di trasferimento (ad anello chiuso) tra Y e D per il calcolo della risposta a regime Y.

18 Si consideri ad esempio l esercizio PROVA 10 N. 10: Considerando che u(t) = 0 si può eliminare la giunzione sommante a sinistra del diagramma, CONSIDERANDO PERO che il segno del ramo di retroazione è negativo. Per tenerne conto si può aggiungere in posizione opportuna un blocco con funzioni di trasferimento = 1. Riorganizzando il diagramma in modo da evidenziare la relazione tra Y e D si ottiene: Riducendo l anello di retroazione in modo da ottenere la funzione di trasferimento ad anello chiuso tra Y e D (NOTANDO che l anello così ristrutturato ha retroazione POSITIVA) sarà poi possibile applicare ad esso il teorema del valore finale (considerando come richiede il testo che d(s) = 1/s) per il calcolo del valore di regime di Y, imponendo che esso sia = 0,5, in funzione di K. La soluzione finale dell esercizio è quindi K = 6. NOTA 2: Infine, è utile considerare anche il caso in cui venga richiesto di applicare un segnale NON NULLO sia all ingresso di riferimento che al segnale di disturbo. In questo caso, occorre applicare la proprietà della sovrapposizione degli effetti tipica dei sistemi lineari. Un esempio di tale tipologia di esercizio NON è presente nella raccolta di esercizi preparata dal Prof. Sergio Beghelli, ma è contenuto nel testo dell esame del 16 luglio 2014 (Esercizio N. 4 sia nel testo da 9 crediti che in quello da 6). Nell esercizio è dato il sistema descritto dal seguente diagramma a blocchi:

19 e si richiede di calcolare il valore di K tale per cui risulti qualora sia ad u che a d siano applicati dei gradini unitari:. Applicando la sovrapposizione degli effetti di u e d: nella quale G 1 (s) è la funzione di trasferimento dell anello avente come ramo di retroazione il blocco (s+6)/(s+4), mentre G 2 (s) è la funzione di trasferimento dell anello avente come ramo diretto K/(s+3) e gli altri due blocchi come retroazione. Sostituendo all espressione ottenuta per y(s) le funzioni di Laplace dei segnali di ingresso u(s) e d(s), applicando il teorema del valore finale: ed imponendo il vincolo di progetto si ottiene: K = 1/9

20 Esercizi sul luogo delle radici: Gli esercizi sul luogo delle radici richiedono di disegnare il luogo in modo qualitativo. A tale scopo dovrebbe essere ampiamente sufficiente ricordare le regole descritte nelle pagine della dispensa FdA-2.4-StabilitaFdT-LuogoRadici_2015.pdf e soprattutto la procedura riepilogata a pagina 61. Si noti anche che sulla dispensa tutte le figure mostrate negli esempi si riferiscono al luogo DIRETTO, mentre negli esercizi d esame è richiesto di disegnare sia il luogo diretto che quello INVERSO. Per il calcolo del centro degli asintoti si può applicare una stima qualitativa sul valore numerico dei poli e degli zeri, in base alla distanza tra essi nella figura. Non è però necessario che venga definito un valore preciso, non generalmente fornito nel testo.