13-1 SISTEMI A DATI CAMPIONATI: INTRODUZIONE. y(t) TMP. y k. Trasduttore. Schema di base di un sistema di controllo digitale

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1 SISTEMI A DATI CAMPIONATI: INTRODUZIONE + e k u k u(t) r k C D/A P y k TMP A/D Trasduttore y(t) Schema di base di un sistema di controllo digitale A/D: convertitore analogico digitale C: controllore digitale D/A: convertitore digitale analogico P: processo/impianto sotto controllo TMP: temporizzatore y(t), u(t): variabili a tempo continuo y k, u k : variabili a tempo discreto (campionate) r k, e k : variabili a tempo discreto 13-1

2 CONVERTITORI A/D e D/A Campionatore (periodico) ideale: y k = y(kt ), k = 0, 1,... y o y(t) y 1 y 2 y 3 y 4 y 5 y 6 y 7 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T t Mantenitore di ordine zero (zero order hold): u(t) = u k, kt t < (k + 1)T u o u(t) u 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u 7 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T t 13-2

3 CONTROLLORE DIGITALE Forma generale della legge di controllo: u k = Φ(u k 1, u k 2,..., e k, e k 1, e k 2,...), k = 0, 1, 2,... Legge di controllo lineare e stazionaria: u k = a 1 u k 1 a 2 u k b o e k + b 1 e k 1 + b 2 e k 2, k = 0, 1, 2,... T : tempo di campionamento del campionatore e del mantenitore : tempo di calcolo richiesto dalla legge di controllo Se nella legge di controllo u k non dipende da e k e l hardware garantisce che < T : Procedura per il calcolo di u k attivabile all istante (k 1)T ; Aggiornamento di u k esattamente all istante kt. 13-3

4 PROBLEMA DEL CAMPIONAMENTO x(t) x 2 x 3 x 1 x 4 x o 0 T 2T 3T 4T t Problema: ricostruzione univoca di x(t) da una sequenza x k Teorema del campionamento di Shannon Sia x(t) un segnale a banda limitata in [0, ˆω]. Può essere ricostruito dai campioni x k = x(kt ) se ˆω < ω N := π T dove la pulsazione ω N è nota come pulsazione di Nyquist. 13-4

5 RELAZIONI TC - TD Osservazione: f(t) = e at F (s) = 1 s + a f k = e akt z F (z) = z e at Risultato generale per funzioni razionali fratte: i poli della trasformata di Laplace si trasformano in poli della trasformata zeta attraverso la relazione z = e st Alcune considerazioni: La regione di stabilità asintotica è l interno del cerchio unitario Rette orizzontali in s corrispondono a rette radiali in z Rette verticali in s, Re[s] < 0, corrispondono a circonferenze interne al cerchio unitario Analogia fra s = 0 e z = 1 Il tempo di campionamento è un fattore di normalizzazione Rilettura teorema del campionamento 13-5

6 TRASFORMAZIONE LUOGHI A ζ E ω n COSTANTE Pole zero map Pole zero map Imag Axis 0 Imag Axis Real Axis Real Axis 13-6

7 RISPOSTA IN FREQUENZA (REGIME PERMANENTE) u k = A sin θk G(z) y (p) k = F (θ) sin(θk + ϕ(θ)) Teorema della risposta in frequenza F (θ) = A G(e jθ ) ; ϕ(θ) = arg G(e jθ ) Osservazioni: Per sistemi a dati campionati: θ = ωt Non esistono regole per il tracciamento di diagrammi asintotici di Bode I diagrammi di Bode, Nichols, Nyquist si ricavano numericamente 13-7

8 STABILITÀ SISTEMI A TEMPO DISCRETO (TD) u k, U(z) G(z) y k, Y (z) Condizione per la stabilità: Non esistono poli della funzione di trasferimento con modulo maggiore di uno e quelli con modulo unitario sono semplici. Condizione per la stabilità asintotica: Tutti poli della funzione di trasferimento hanno modulo minore di uno. Criteri di Stabilità per Sistemi TD P n (z) = z n + a n 1 z n a 1 z + a 0 Criterio di Jury (c. necessaria e sufficiente) Il polinomio è asintoticamente stabile se e solo se i primi elementi delle righe di indice dispari della Tabella di Jury sono tutti diversi da zero e hanno segno positivo. 13-8

9 SISTEMA TD A RETROAZIONE UNITARIA Y o (z) + L(z) Y (z) Stabilità del sistema TD ad anello chiuso Si può usare il criterio di Nyquist considerando la risposta in frequenza G(e jθ ) e il cerchio unitario come percorso di Nyquist Si può usare il luogo delle radici (il cerchio unitario è la regione di stabilità) Esempi L(z) = L(z) = K z 0.5 K (z 2)(z + 1) 13-9

10 PROBLEMA DEL CAMPIONAMENTO Scelta del passo di campionamento nei sistemi di controllo Relazione approssimata usata in pratica B 3 < ω N < 10B 3 Giustificazione: il limite inferiore è dovuto al Teorema di Shannon e al fatto che nei sistemi di controllo l informazione è contenuta nella banda B 3 il limite superiore deriva dal fatto che al diminuire del tempo di campionamento aumenta il costo dei convertitori ed è richiesta una maggiore velocità di calcolo al controllore digitale Osservazione: nei sistemi di controllo sono sempre presenti dei disturbi alle alte frequenze filtro anti-aliasing prima del campionatore Filtro anti-aliasing del primo ordine F (s) = s/ω N 13-10

11 PROGETTO CONTROLLO DIGITALE: INTRODUZIONE Tecniche basate sulla discretizzazione di un controllore analogico: determinato il controllore analogico e(t) C(s) u(t) farne una realizzazione digitale. e(t) A/D C(z) D/A u(t) Tecniche dirette a tempo discreto: discretizzato il processo u k D/A P (s) A/D y k progettare il controllore direttamente nel tempo discreto

12 TECNICHE DI DIGITALIZZAZIONE e(t) C (s) u(t) e(t) e k u k A/D C(z) D/A, 0 C(s) u(t) Problema: determinare il controllore C(z) in modo che C(jω) C (jω), ω [0, B 3 ] I metodi si basano sul determinare opportune trasformazioni dal piano s al piano z, ovvero z = T (s) C(z) = C (T 1 (z)) Due tecniche: tecniche di integrazione tecniche di matching dei poli e degli zeri (MPZ) 13-12

13 TECNICHE DI INTEGRAZIONE Integrando nell intervallo [kt, (k+1)t] le equazioni { ẋ(t) = Ax(t) + Be(t) u(t) = Cx(t) + De(t) = (k+1)t kt (k+1)t kt x(t)dt [(1 α)x k + αx k+1 ]T α [0, 1] e(t)dt [(1 α)e k + αe k+1 ]T α [0, 1] Metodo di Tustin (α = 1/2): s = T 1 (z) = 2 T z 1 z + 1 Interpretazione grafica formula di integrazione C(z) = C (T 1 (z)) x(t) x k+1 x k t kt (k + 1)T Im[z] 1 Re[z] Dominio del tempo Dominio della frequenza Osservazione: per piccoli valori del tempo di campionamento i poli si addensano nella zona del cerchio unitario vicino al punto z =

14 TECNICHE DI MATCHING Tecniche di matching dei poli e degli zeri (MPZ): i poli e gli zeri del sistema tempo continuo si trasformano secondo la mappa z = e st Procedura per progetto C(z): assegnata C (s) = K m i=1 (s r i) n i=1 (s p i) C(z) risulta C(z) = K d m i=1 (z er it ) n i=1 (z ep it ) dove K d è selezionato in modo da avere lo stesso guadagno in continua del controllore analogico, ovvero K d = K m i=1 ( r i) n i=1 ( p i) n i=1 (1 ep it ) m i=1 (1 er it ) 13-14

15 TECNICHE DI DIGITALIZZAZIONE Confronto fra le tecniche di digitalizzazione C (s) = 5 s + 5 Metodo ω N = 50 rad/s ω N = 10 rad/s 1 MPZ z z Tustin z + 1 z z z

16 TECNICHE DI DIGITALIZZAZIONE Processo P (s) = 1 s 2 Specifiche di controllo 1) yp 0 = 0.2 m o φ = 55o 2) B3 o = 0.8 rad/s ωo a = 0.5 rad/s Progetto controllore analogico C (s) = s s Digitalizzazione controllore Scelta del tempo di campionamento: B o 3 = 0.8 < ω c/2 = π/t < 10 B o 3 = 8 T = 1 s Utilizzo del metodo MPZ C(z) = 0.48 z 0.82 z u k = 0.135u k e k 0.394e k

17 TECNICHE DIRETTE u k u(t) y(t) D/A, 0 P (s) A/D P (z) y k y o k e k u k + C(z) P (z) y k Fase (I). Discretizzazione processo analogico Fase (II). Progetto controllore C(z): 1. Tecniche basate sull analisi dei sistemi a tempo discreto (per esempio, sintesi basate sul luogo delle radici) 2. Tecniche di sintesi diretta per sistemi a tempo discreto 13-17

18 TECNICHE DIRETTE Esempio di uso del luogo delle radici Processo continuo da controllare P (s) = 1 s 2 Specifiche di controllo (riportate sui poli dominanti) Discretizzazione processo analogico (T = 1) 1) yp 0 = 0.2 ζo = 0.5 2) B3 o = 0.8 rad/s ωo n = 0.6 rad/s Controllore selezionato Determinazione di h e a C(z) = h z a z P (z) = 1 2 z + 1 (z 1) 2 u k = he k hae k 1 s = ω o ne j(arcsin ζ+π/2) = j0.52 e s T = j C(e s T )P (e s T ) = 0 h = 0.606; a =

19 TECNICHE DIRETTE Assegnata la funzione di trasferimento desiderata ad anello chiuso W o (z), la sintesi diretta fornisce il controllore digitale C(z) = 1 P (z) W o (z) 1 W o (z) Elementi fondamentali della tecnica di sintesi diretta Realizzabilità del controllore: E(W 0 ) E(P ) Stabilità interna sistema di controllo (singolarità distinte) W 0 (p) = 1 per ogni polo p di P (z) tale che p 1 W 0 (q) = 0 per ogni zero q di P (z) tale che q 1 Scelta di W 0 (z) in modo da soddisfare alle specifiche 13-19

20 TECNICHE DIRETTE Processo continuo P (s) = 1 s Discretizzazione processo analogico: P (z) = T 1 z 1 Scelta della funzione di trasferimento desiderata W o (z) = 1 z Controllore C(z) = z 1 T 1 z 1 = 1 T 13-20

21 MATLAB: CONVERSIONI SISTEMA CONTINUO-DISCRETO SYSD = C2D(SYSC,TS,METHOD) converts the continuous-time LTI model SYSC to a discrete-time model SYSD with sample time TS. The string METHOD selects the discretization method among the following: zoh Zero-order hold on the inputs. foh Linear interpolation of inputs (triangle appx.) tustin Bilinear (Tustin) approximation. prewarp Tustin approximation with frequency prewarping. The critical frequency Wc is specified as fourth input by C2D(SYSC,TS, prewarp,wc). matched Matched pole-zero method (for SISO systems only). The default is zoh when METHOD is omitted