Teoria dei Sistemi s + 1 (s + 1)(s s + 100)

Documenti analoghi
COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI 26 Settembre 2008

u = quantità di proteina B, y = misura dell attività della proteina A

B = Si studi, giustificando sinteticamente le proprie affermazioni, la stabilità del sistema. si A = G(s) = Y f (s) U(s) = 1.

Analisi dei sistemi in retroazione

Scritto di regolazione e controllo dei sistemi meccanici 27 Giugno 2002

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria dell Energia Elettrica e Aerospaziale 1 Febbraio 2016

COMPITO DI FONDAMENTI E APPLICAZIONI DI CONTROLLI AUTOMATICI 21 Febbraio 2012

Controlli Automatici - Parte A

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI 20 Febbraio 2014

AUTOMATICA I (Ingegneria Biomedica - Allievi da L a Z) Appello dell 8 luglio 2008: testo e soluzione

Nome: Nr. Mat. Firma:

Controlli Automatici Compito del - Esercizi

Nome: Nr. Mat. Firma: C.L.: Info. Elet. Telec. Altro.

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2005/ febbraio 2006 TESTO E SOLUZIONE

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2004/ settembre 2005 TESTO E SOLUZIONE

Controlli Automatici - Parte A

Nome: Nr. Mat. Firma: C.L.: Info. Elet. Telec. Altro.

FONDAMENTI DI AUTOMATICA (Ingegneria Biomedica) Appello del 16 febbraio 2010: testo e soluzione. y = x 1

ANALISI DEI SISTEMI DI CONTROLLO A TEMPO CONTINUO. Schema generale di controllo in retroazione

INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria dell Energia Elettrica e Aerospaziale 18 Luglio 2016

Controlli Automatici - Parte A

Controlli Automatici - Parte A

Cognome Nome Matricola Corso di Laurea

Controlli Automatici - Parte A

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI - 7 CFU e 9 CFU 16 Febbraio 2010

s +6 s 3 s 2 +(K 3)s +6K. 6(s +6) s 2 +3s +36. (1) i) Prima di tutto fattorizziamo opportunamente la funzione di trasferimento (1)

Esame di FONDAMENTI DI AUTOMATICA (9 crediti) SOLUZIONE

5. Per ω = 1/τ il diagramma reale di Bode delle ampiezze della funzione G(jω) =

1 a PROVA PARZIALE DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2004/ novembre Soluzione

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI 7 Febbraio 2013

COMPITO DI FONDAMENTI E APPLICAZIONI DI CONTROLLI AUTOMATICI TEMA A - 2 Febbraio 2012

Controlli Automatici L-A - Esercitazione

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici 9 Giugno 2005

s + 6 s 3, b) i valori di K per i quali il sistema a ciclo chiuso risulta asintoticamente stabile;

Cognome Nome: Matricola: Corso di Laurea: Fondamenti di Controlli Automatici - A.A. 2011/12 20 settembre Domande Teoriche

Teoria dei Sistemi A Si consideri il sistema di serbatoi rappresentato in figura e caratterizzato dalla dinamica non lineare:

Esercizio 1 [10 punti]

Controlli Automatici - Parte A

Diagrammi asintotici di Bode: esercizi. Tracciare i diagrammi asintotici di Bode della seguente funzione G(s): s 2. s(s 30)(1+ s

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2003/ gennaio 2004

Teoria dei Sistemi

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2004/ luglio 2005 TESTO E SOLUZIONE

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2005/ giugno 2006 TESTO E SOLUZIONE

AUTOMATICA I (Ingegneria Biomedica - Allievi da L a Z) Appello del 20 luglio 2006: testo e soluzione

Fondamenti di Controlli Automatici

INGEGNERIA INFORMATICA

ANALISI DEI SISTEMI DI CONTROLLO A TEMPO CONTINUO. Schema generale di controllo in retroazione. Margine di guadagno e margine di fase

Esame di FONDAMENTI DI AUTOMATICA (9 CFU) SOLUZIONE

FONDAMENTI DI AUTOMATICA I - Ingegneria Elettronica Appello del 15 luglio 2015

FONDAMENTI DI AUTOMATICA 11 novembre 2018 Prima prova in itinere Cognome Nome Matricola

CONCETTO DI STABILITÀ NEI SISTEMI DI CONTROLLO. Sistema in condizioni di equilibrio a t = 0. d(t) = 0. u(t) = 0. y(t) = 0. Sistema

Prova TIPO C per: ESERCIZIO 1.

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI 21 Febbraio 2013

SOLUZIONE della Prova TIPO D per:

Elaborazione di segnali e immagini: modulo segnali

Esame di FONDAMENTI DI AUTOMATICA (6 CFU) / CONTROLLI AUTOMATICI SOLUZIONE

Elaborazione di segnali e immagini: modulo segnali

Regolazione e Controllo 15 Febbraio 2007

Cognome Nome Matricola Corso

Fondamenti di Automatica Prof. Luca Bascetta. Primo prova intermedia 27 Aprile 2018

Esercizi di Controlli Automatici - 7 A.A. 2016/2017

Applicando le leggi di Kirchhoff e le formule di base dei componenti RLC, si ottiene il seguente modello matematico:

Fondamenti di Automatica (CL Ing. Gestionale) a.a Prof. Silvia Strada 16 Luglio 2014

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria dell Energia Elettrica e Aerospaziale 17 Febbraio 2016

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici 23 Novembre 2005

Fondamenti di Controlli Automatici. 1 Temi d'esame. Politecnico di Torino CeTeM. Politecnico di Torino Pagina 1 di 25 Data ultima revisione 19/09/00

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Corso di Laurea in Ingegneria dell Informazione 18 Settembre 2012

Esame di FONDAMENTI DI AUTOMATICA (9 CFU) SOLUZIONE

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici 1 Giugno 2006

Esercitazione 05: Trasformata di Laplace e funzione di trasferimento

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Corso di Laurea in Ingegneria dell Informazione 6 Settembre 2013

SOLUZIONE. Fondamenti di Automatica (CL Ing. Gestionale) a.a Prof. Silvia Strada Seconda prova intermedia 12 Febbraio 2015

Stabilità e retroazione

Compito di Fondamenti di Automatica - 13 luglio 2006 Versione A Esercizio 1A. Dato lo schema seguente (operazionali ideali)

Modellazione e controllo Ca1 (a,b,c) Ca2 (d,e,f,g) Mec(a,c,d,e,g)

Esercizi per il corso di Fondamenti di Automatica (Mod. I) PARTE II

Scrivere il numero della risposta sopra alla corrispondente domanda. (voti: 2,0,-1, min=14 sulle prime 10) , C = [3 2 2], D =

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Corso di Laurea in Ingegneria dell Informazione 22 Giugno 2012

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria dell Informazione 31 Agosto 2017

PROVA SCRITTA DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2013/ giugno 2014

COMPITO DI SEGNALI E SISTEMI 15 febbraio 2010

ANALISI FREQUENZIALE E PROGETTO NEL DOMINIO DELLE FREQUENZE

K c s h. P(s) 1/K d. Esame di Elementi di Regolazione Corso di Laurea Nuovo Ordinamento in Ingegneria Meccanica 31 marzo 2003 Compito A.

Esame di FONDAMENTI DI AUTOMATICA (9 CFU) SOLUZIONE

PRIMA PROVA PARZIALE DI CONTROLLO DIGITALE A.A. 2005/ aprile 2006 TESTO E SOLUZIONE

Analisi dei sistemi retroazionati

COMPITO DI CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria dell Informazione 2 Luglio 2018

t (sec) t (sec)

Controlli Automatici 2 27 Settembre 2007 COGNOME...NOME... MATR...CDL (ELETTR, GEST, MECC)

Prova TIPO D per: ESERCIZIO 1.

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici 31 Gennaio 2007

Regolazione e Controllo dei Sistemi Meccanici 21 Luglio 2003

Controlli Automatici 2 22/06/05 Compito a

Fondamenti di Automatica K L. Figura 1: Sistema meccanico

Transcript:

Teoria dei Sistemi 03-07-2015 A Dato il sistema dinamico rappresentato dalla funzione di trasferimento 10s + 1 (s + 1)(s 2 + 16s + 100) A.1 Si disegnino i diagrammi di Bode, Nyquist e i luoghi delle radici. A.2 Si determinino tutti i valori di K affinché il sistema retroazionato con un controllore statico C(s) = K sia asintoticamente stabile. Commentare i risultati facendo riferimento ai diagrammi disegnati. B Si consideri il sistema dinamico lineare rappresentato dalla seguente funzione di trasferimento ( 10s + 100) (s 2 + 1.2s + 1). (1) B.1 Si progetti un controllore che renda il sistema in anello chiuso asintoticamente stabile con un errore al gradino a regime minore del 25% e tale per cui il rumore di misura venga attenuato di almeno lo 0.1% per disturbi sinusoidali a pulsazioni maggiori di 100rad/sec. C Si consideri il sistema dinamico rappresentato dalla seguente equazione differenziale in forma normale: C.1 Si studino gli equilibri per ingressi costanti pari a π 4. y (3) (t) = 2ÿ(t) cos y(t) ẏ(t)(ẏ(t) + 2) y(t) + u(t) C.2 Si scriva il sistema traslato in forma normale con equilibrio nell origine. C.3 Si determini la forma di stato del sistema traslato linearizzato nell origine. C.4 Si determini la funzione di trasferimento del sistema linearizzato. D Sia y(t) = ( 5e t + e 9t + 4 + 4t)H(t) la risposta alla rampa di un sistema dinamico lineare tempo continuo. Si determini la risposta all impulso dello stesso sistema e si commentino i risultati ottenuti.

Soluzione A Il sistema dinamico presenta uno zero in z 1 = 0.1, un polo in p 1 = 1 e una coppia di poli complessi stabili in p 2,3 = 8 ± 6j (pulsazione naturale ω n = 10 e smorzamento δ = 0.8). Il guadagno statico del sistema é pari a 10 2. Per quanto riguarda i diagrammi di Bode asintotici, il guadagno statico fornisce un contributo in ampiezza costante pari a 40db e non fornisce contributo in fase. Lo zero in z 1 = 0.1 fornisce un contributo di +20db/dec in ampiezza e di π/2 in fase essendo a parte reale positiva. Il polo in p 1 = 1 fornisce un contributo di 20db/dec in ampiezza e di π/2 in fase essendo a parte reale negativa. La coppia di poli complessi stabili a pulsazione naturale ω n = 10 fornisce un contributo di 40db/dec in ampiezza e di π in fase essendo a parte reale negativa. I diagrammi di Bode del sistema sono riportati in figura 1. Figura 1: Diagrammi di Bode del sistema. Dai diagrammi di Bode si ottiene il diagramma di Nyquist riportato in figura 2. Si noti che il diagramma non circonda il punto 1 e pertanto il sistema retroazionato con C(s) = 1 é asintoticamente stabile. Considerando valori di K > 1 si arriverà ad avere un diagramma che compirá due giri in senso orario intorno al punto 1 e quindi il sistema puó diventare instabile per elevati valori di K. Figura 2: Diagramma di Nyquist del sistema.

I luoghi delle radici diretto e inverso sono infine riportati in figura 3. Si noti che nel luogo con K > 0 si hanno tre punti di biforcazione del luogo e nessuno nel luogo con K < 0. Se si considera la derivata della G(s) rispetto ad s e se ne calcolano i valori che l annullano si ottiene l equazione 20s 3 +167s 2 +1010s 116 = 0 che ammette quindi tre soluzioni. Nel luogo con K < 0 per costruzione é chiaro che non sono presenti punti di biforcazione e quindi sono tutti nel luogo con K > 0. Figura 3: Luogo delle radici per K > 0 e K < 0. A.2 Per determinare tutti i valori di K affinché il sistema retroazionato con un controllore statico C(s) = K sia asintoticamente stabile si utilizza il criterio di Routh. I poli dell anello chiuso coincidono con le radici del polinomio d(s) + Kn(s) = s 3 + 17s 2 + (116 10K)s + 100 + K. La tabella di Routh risulta 1 116 10K 17 100 + K a 0 100 + K 0 con a = 1 17 (171K 1872). Affinché il sistema sia asintoticamente stabile la prima colonna della tabella non deve avere cambi di segno. Si deve quindi avere 171K 1872 < 0 e 100 + K > 0 da cui: 100 < K < 10.94. Come già osservato dal diagramma di Nyquist un K > 1 troppo elevato (in particolare K > 10.94) porta all instabilità del sistema. Anche un valore troppo piccolo (negativo) di K porta all instabilità come si può vedere dal luogo in figura 3 per K < 0. B I diagrammi di Bode del sistema ( 10s + 100) (s 2 + 1.2s + 1). (2) sono riportati in figura 4. Si noti che i margini di fase e di guadagno (circa 20db) sono negativi e che il sistema in anello chiuso è instabile. Scegliendo un controllore della forma C(s) = K con K < 1 si abbassa il guadagno dell anello e si può ottenere la stabilità. Ad esempio con K < 0.1 si ottiene un margine di ampiezza positivo. La specifica sull errore al gradino però richiede che la costante di guadagno statico dell anello aperto sia maggiore di 10db e pertanto 20Log(K100) > 10db da cui segue K > 0.03. Per la specifica sul disturbo di misura si richiede che per pulsazioni maggiori di 10 2 rad/sec il diagramma delle ampiezze della funzione di anello C(s)G(s) sia minore di 60db. Con C(s) = 0.04 i diagrammi di Bode della funzione di anello sono riportati in figura 5 e si nota che la specifica non è verificata. Affinché la specifica sia verificata è necessario mettere (almeno) un polo in alta frequenza. Ad esempio mettendo un polo in 15 si ottengono i diagrammi di Bode riportati in figura 6 dove si evince che tutte le specifiche sono verificate. C.1 Per studiare gli equlibri del sistema si pongono y (3) = ÿ = ẏ = 0 e, per u(t) = π 4 si ottiene ȳ = π 4. C.2 Sia ora z(t) = y(t) π 4 e v(t) = u(t) π 4, il sistema traslato in forma normale con equilibrio nell origine risulta ( z (3) (t) = 2 z(t) cos z(t) + π ) ẏ(t)(ẏ(t) + 2) z(t) + v(t) 4

Figura 4: Diagrammi di Bode del sistema. Figura 5: Diagrammi di Bode del sistema C(s)G(s) con C(s) = 0.04. C.3 Scegliendo le variabili di stato x 1 = z, x 2 = ż, x 3 = z si ottiene il sistema del primo ordine non lineare: ẋ 1 = x 2 ẋ 2 = x 3 ẋ 3 = 2x 3 cos ( ) x 1 + π 4 x2 (x 2 + 2) x 1 + v(t) Il sistema linearizzato è infine caratterizzato dalle matrici 0 1 0 A = 0 0 1 1 2, B = 0 0 2 1 C = [1 0 0] C.4 Il sistema ottenuto è in forma canonica di controllo pertanto il calcolo della funzione di trasferimento si fa considerando l ultima riga della matrice A e la matrica C: 1 s 3 + 2s 2 + 2s + 1

Figura 6: Diagrammi di Bode del sistema C(s)G(s) con C(s) = 0.04 1+0.067s. D Applicando la trasformata di Laplace alla risposta alla rampa: si ottiene y(t) = ( 5e t + e 9t + 4 + 4t)H(t) Y (s) = 5 s + 1 + 1 s + 9 + 4 s + 4 s 2 = 76s + 36 s 2 (s + 1)(s + 9) da cui segue che la funzione di trasferimento del sistema è 76s + 36 (s + 1)(s + 9) = 5 s + 1 + 81 s + 9 da cui antitrasformando si ottiene la risposta all impulso: y δ (t) = 5e t + 81e 9t. Come ci si aspettava nella risposta alla rampa erano presenti termini dovuti alla rampa stessa ma i termini esponenziali potevano solo essere modi interni del sistema che pertanto si ritrovano anche nella risposta all impulso. Inoltre i termini dovuti alla rampa non si ritrovano nella risposta all impulso.