Ingegneria e Tecnologie dei sistemi di Controllo

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1 INGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO Laurea Specialistica in Ingegneria Meccatronica PROGETTO MEDIANTE IL LUOGO DELLE RADICI Ing. Tel [email protected] Proprietà dei sistemi in retroazione r e k u G(s) y L equazione caratteristica del sistema chiuso in retroazione è: Le radici sono i poli del sistema in retroazione ITSC07 Pag. 1

2 Esempio: Sistemi del primo ordine r e k u y ITSC07 3 Esempio: Sistemi del secondo ordine r e k u y δ=1.5 ω n = Radici reali distinte p 1 =1 p =4 ITSC07 4 Pag.

3 Proprietà dei sistemi in retroazione r e k u G(s) y I poli del sistema in retroazione sono le radici dell equazione caratteristica: I poli del sistema in retroazione variano al variare del guadagno k da 0 a ITSC07 5 Luogo delle radici Al variare del parametro k i poli del sistema chiuso in retroazione descrivono un luogo di punti. Tale luogo è detto Luogo delle radici. Il luogo delle radici descrive il luogo delle radici di un sistema chiuso in retroazione unitaria al variare del guadagno. Il luogo delle radici gode di svariate proprietà che ne consentono il tracciamento senza la necessità di un approfondito studio analitico dell equazione caratteristica. ITSC07 6 Pag. 3

4 Luogo delle radici: proprietà 1. Ha tanti rami quanti sono i poli del sistema in catena aperta Ciascun polo, spostandosi, traccia un ramo. Ogni ramo: Parte (k=0)dalla posizione di un polo in catena aperta Termina (k= )nella posizione di uno zero del sistema o va all infinito 3. Il luogo è simmetrico rispetto all asse reale 4. Un punto dell asse reale appartiene al luogo se lascia a destra un numero dispari di singolarità (poli e zeri) 5. Ha un numero di asintoti pari alla differenza tra il numero di poli e il numero di zeri (grado relativo) del sistema in catena aperta. ITSC07 7 Luogo delle radici: proprietà 6. Gli asintoti formano una stella con centro nel punto dell asse reale: 7. Gli asintoti formano con l asse reale gli angoli Dove n e m rappresentano rispettivamente il numero di poli e il numero di zeri del sistema in catena aperta. ITSC07 8 Pag. 4

5 Luogo delle radici: tracciamento Utilizzando le proprietà enunciate è possibile tracciare rapidamente il luogo delle radici. I passi da seguire sono: 1. Tracciare sul piano di Gauss zeri e poli del sistema in catena aperta, contrassegnando i poli con una X e gli zeri con un O.. Ricavare il numero di asintoti facendo la differenza tra il numero di poli e il numero di zeri del sistema in catena aperta. 3. Trovare il punto di incrocio degli asintoti e gli angoli che formano con l'asse reale. 4. Trovare i punti dell'asse reale che stanno sul luogo delle radici 5. Tracciare il luogo delle radici tenendo conto che esso deve essere simmetrico rispetto all'asse reale. ITSC07 9 Esempio: sistema del primo ordine ITSC07 10 Pag. 5

6 Matlab e il luogo delle radici Matlab può essere utilizzato per tracciare il luogo delle radici. Il comando principale è rlocus. Sintassi: >> rlocus(num,den) Plotta il luogo delle radici del sistema: r e k u y ITSC07 11 Matlab e il luogo delle radici Il comando può essere usato in diversi modi. Ad esempio: >> rlocus(num,den,k 1 ) Plotta la posizione i dei poli corrispondenti ad un guadagno statico k 1. >>[r,g]=rlocus(num,den) Ritorna nella matrice r i valori dei poli del sistema e nel vettore g i rispettivi valori del guadagno k. ITSC07 1 Pag. 6

7 Matlab e il luogo delle radici Per l utilizzo del luogo delle radici nel progetto del controllore è molto utile il comando rlocfind Sintassi: >> [k,poles]=rlocfind(num,den) Dopo aver fatto una rlocus(num,den), la chiamata di questo comando ci consente di selezionare un polo sul luogo delle radici e ritorna in k il valore del guadagno statico corrispondente al polo selezionato e in poles il valore dei poli del sistema corispondenti al guadagno k. E' molto utile per sapere quale guadagno dobbiamo mettere nel loop di controllo per avere i poli in una certa posizione. ITSC07 13 Progetto di un controllore in retroazione r(t) e(t) C(s) u(t) G(s) y(t) L(s)=C(s)G(s), Guadagno d anello Dato un plant G(s) costruire un controllore C(s) in modo che l uscita y(t) del sistema chiuso in retroazione: soddisfi le specifiche di controllo ITSC07 14 Pag. 7

8 Specifiche di controllo Specifiche statiche: specifiche relative al massimo errore a regime tollerato. Si risolvono facendo in modo che il guadagno d anello abbia un numero opportuno di poli nell origine i oppure un guadagno a regime minore di un certo valore dipendente dalla specifica. Sono indipendenti dal comportamento dinamico del sistema. Specifiche dinamiche: specifiche relative al comportamento dinamico della risposta, cioè il suo andamento prima di raggiungere il valore a regime. Tipicamente queste specifiche vengono date in termini di massima sovraelongazione percentuale e di tempo di assestamento. ITSC07 15 Utilizzo del luogo delle radici Per i sistemi elementari oppure approssimabili come sistemi elementari (cioè in presenza di poli dominanti) risulta semplice identificare regioni del piano in cui devono stare i poli del sistema in retroazione per soddisfare le specifiche. Il luogo delle radici può essere usato per studiare il comportamento dei poli del sistema chiuso in retroazione e per disegnare un controllore in modo da fare in modo che, per certi guadagni, il sistema chiuso in retroazione abbia tutti i poli all interno della regione e desiderata. ITSC07 16 Pag. 8

9 Passi per la costruzione del controllore 1. Esaminare la G(s) per determinare l ordine (eventualmente trascurando poli recessivi) del sistema. Tracciare sul piano di Gauss le regioni relative alle specifiche di controllo 3. Vedere se con una semplice azione proporzionale (C(s)=k) è possibile soddisfare le specifiche dinamiche, cioè far entrare i poli del sistema chiuso in retroazione nella regione desiderata. 4. Se non è possibile soddisfare le specifiche con un semplice controllore proporzionale, costruire, per tentativi, un controllore tale che esista un k per cui i poli del sistema controllato stiano nelle regioni desiderata. Nel disegno di C(s) tenere conto anche delle specifiche statiche ed, eventualmente, aggiungere poli nell origine. 5. Fare una verifica simulativa del controllore ottenuto ITSC07 17 Il Luogo delle radici nei sistemi digitali Schema di controllo digitale: r(t) e(k) u(k) C(z) H 0 (s) G(s) y(t) Il luogo delle radici è definibile anche per sistemi di controllo digitali E sempre necessario considerare anche la dinamica del ricostruttore La stabilità del sistema si deteriora al crescere del periodo di campionamento ITSC07 18 Pag. 9

10 Il Luogo delle radici nei sistemi digitali Come è possibile definire il guadagno d anello in un sistema dove compaiono funzioni di trasferimento continue e funzioni di trasferimento discrete? r(t) e(k) C(z) u(k) H 0 (s) G(s) y(t) Campionatore Fittizio r(t) C(z) H 0 (s) G(s) y(k) ITSC07 19 Il Luogo delle radici nei sistemi digitali r(t) C(z) u(k) H 0 (s) G(s) Sistema Discreto y(k) r(t) C(z) u(k) HG(z) y(k) Sistema in Retroazione Discreto Tutte le funzioni di trasferimento nell anello sono della stessa natura. L ( z) = C( z) HG( z) ITSC07 0 Pag. 10

11 Il Luogo delle radici nei sistemi digitali Se il periodo di campionamento T è scelto in modo opportuno, non c è una perdita significativa di informazioni nel passaggio tempo continuo tempo discreto. Pertanto, considerare y(t) o y(k) è la stessa cosa. L uso del campionatore virtuale consente di rendere e omogenee le funzioni di trasferimento nell anello di retroazione e di definire agevolmente il guadagno d anello. Per costruire il luogo delle radici di un sistema discreto in retroazione, si considera il guadagno d anello L(z) e si usano le stesse regole che si usavano per i sistemi continui in retroazione ITSC07 1 Periodo di campionamento e stabilità Si consideri un sistema di controllo digitale con C(z)=1, con un ricostruttore di ordine zero e con G( s) = k s ( s 1) per i valori di T=1,, 4 s si ha che ITSC07 Pag. 11

12 Periodo di campionamento e stabilità All aumentare del periodo di campionamento, il valore del guadagno critico K c diminuisce a causa del maggiore ritardo introdotto dal ricostruttore. ITSC07 3 Progetto del controllore discreto Il progetto del controllore discreto segue esattamente gli stessi passi concettuali che si usano per il progetto del controllore continuo ricordando che: 1. Occorre considerare HG(z) e non semplicemente G(z). Le specifiche statiche sono legate al numero di poli in 1 del guadagno d anello 3. I luoghi a sovraelongazione costante e a tempo d assestamento costante sono diversi da quelli usati nel continuo (ricordare la corrispondenza tra il piano s e il piano z!!) ITSC07 4 Pag. 1

13 Esempio: di posizione di un antenna Si desidera controllare l altezza di un antenna affinchè essa possa seguire un satellite. L antenna ha un momento di inerzia J e un coefficiente d attrito viscoso B. E mossa da un motore DC che impone una coppia T c Il sistema deve portarsi nella posizione desiderata con una sovraelongazione inferiore al 10%, in un tempo di assestamento inferiore a 5 s. e con errore di posizione nullo. ITSC07 5 Esempio: di posizione di un antenna J && θ B θ& = T c θ a = & θ& a θ& = u B J u T c = J Siccome di solito J>>B, a<<1. Nelle simulazioni che seguono è stato preso a=0.1 G ( s ) = Θ ( s ) U ( s ) = s ( s 1 0.1) ITSC07 6 Pag. 13

14 Esempio: di posizione di un antenna Si desidera progettare un controllore digitale mediante l uso del luogo delle radici. Il ricostruttore da usare nel loop digitale è di ordine 0. Seguendo gli stessi ragionamenti fatti nel blocco di slides precedente, possiamo considerare un periodo di campionamento T=0. s per l implementazione del controllore digitale. HG ( z ) = Z [ H 0 ( s ) G ( s )] ITSC07 7 Esempio: di posizione di un antenna 1 e H 0( s) G( s) = s s0. 1 s( s 0.1) 1 1 ( 1 z ) Z HG( z) = s ( s 0.1) 1 c1 c = s ( s 0.1) s 0.1 s 1 c s = s ( s 0.1) s 0.1 s 100 s 1 1 c1 = ( s 0.1) = 100 ( 0.1) c1 = = 10 s s s ( 0.1) s s c s= = s= = 0 d 1 ( s 0.1) = s = ds s s= ITSC07 8 Pag. 14

15 Z s Esempio: di posizione di un antenna z z z = ( 0.1) = Z 0.1 Z Z s s s s z 980 ( z 1) z 1 z 1.0 HG( z) = 0.0 ( z 1)( z 0.980) z 1.0 L ( z ) = C ( z ) HG ( z ) = C ( z )0.0 ( z 1)( z 0.980) Il sistema chiuso in retroazione è di tipo 1 senza che sia necessario nessun intervento da parte del controllore. Pertanto, le specifiche statiche del problema sono risolte senza che sia necessario inserire poli in 1 tramite il controllore ITSC07 9 Esempio: di posizione di un antenna Considerando un controllore proporzionale C(z)=k l equazione caratteristica è z khg( z) = 1 k0.0 ( z 1)( z 0.980) A cui corrisponde il seguente luogo delle radici ITSC07 30 Pag. 15

16 Esempio: di posizione di un antenna Il sistema chiuso in retroazione ha due poli e, pertanto, possiamo utilizzare le regole valide per i sistemi del secondo ordine per determinare le regioni entro cui devono stare i poli affinchè le specifiche dinamiche siano soddisfatte ITSC07 31 Esempio: di posizione di un antenna T a < 5s Per i sistemi del secondo ordine tempo continui, T a <5 se 3 < 5 δω n σ < 0.6 Im st z = e Im e 0.6T = Re Re ITSC07 3 Pag. 16

17 Esempio: di posizione di un antenna S% 10% Per i sistemi del secondo ordine tempo continui, T a <5 se 100e πδ 1 δ 10 δ 0.6 Im st z = e Im 0.6 ϕ tan z = e e ϕ = 0. ω jϕ arccos 0.6 Re 1 Re ITSC07 33 Esempio: di posizione di un antenna Occorre progettare un controllore C(z) tale che i poli del sistema chiuso in retroazione siano nell intersezione delle zone trovate sul piano z Im 1 Re ITSC07 34 Pag. 17

18 Esempio: di posizione di un antenna Non è possibile soddisfare le specifiche dinamiche con un semplice controllore statico (cioè proporzionale). Mentre entrambi i poli sono nella zona in cui è soddisfatta la specifica sulla sovraelongazione per k bassi, essi non entrano mai nella zona in cui è soddisfatta la specifica sul tempo di assestamento. ITSC07 35 Esempio: di posizione di un antenna z C( z) = k z 0. z 1.0 L( z) = k0.0 ( z 0.)( z 1) Esistono dei guadagni k per cui i poli del sistema in retroazione sono dentro entrambe le regioni ITSC07 36 Pag. 18

19 Esempio: di posizione di un antenna Una possibile soluzione è data da: y(k) z C( z) = z 0. y(t) L aver introdotto il campionatore fittizio non ha prodotto conseguenze sull andamento dell uscita ITSC07 37 INGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO Laurea Specialistica in Ingegneria Meccatronica PROGETTO MEDIANTE IL LUOGO DELLE RADICI Ing. Tel [email protected] Pag. 19