Corso di Teoria dei Sistemi N. Raccolta di esercizi svolti tratti da temi d esame

Documenti analoghi
Per un corretto funzionamento dei sistema si progetta un controllo a retroazione secondo lo schema di figura.

Nome: Nr. Mat. Firma:

Diagrammi polari, di Nyquist e di Nichols

Nome: Nr. Mat. Firma:

Prestazioni dei sistemi in retroazione

Fondamenti di Automatica. Unità 2 Calcolo del movimento di sistemi dinamici LTI

CONTROLLORI STANDARD PID. Guido Vagliasindi Controlli Automatici A.A. 06/07 Controllori Standard PID

Fondamenti di Automatica

6. Trasformate e Funzioni di Trasferimento

Diagrammi di Bode. delle

Prova scritta di Controlli Automatici - Compito A

ANALISI FREQUENZIALE E PROGETTO NEL DOMINIO DELLE FREQUENZE

Fondamenti di Automatica

CONTROLLO NEL DOMINIO DELLA FREQUENZA

FONDAMENTI DI AUTOMATICA (Ingegneria Gestionale) Prof. Matteo Corno

Risposta temporale: esercizi

SPECIFICHE DI PROGETTO DI SISTEMI DI CONTROLLO

Controllo di velocità angolare di un motore in CC

La funzione di risposta armonica

Catene di Misura. Corso di Misure Elettriche

Diagrammi di Bode. I Diagrammi di Bode sono due: 1) il diagramma delle ampiezze rappresenta α = ln G(jω) in funzione

Sistema dinamico a tempo continuo

Controlli Automatici T. Trasformata di Laplace e Funzione di trasferimento. Parte 3 Aggiornamento: Settembre Prof. L.

Criteri di stabilità (ver. 1.2)

Fondamenti di Automatica

Definizione Dati due insiemi A e B, contenuti nel campo reale R, si definisce funzione reale di variabile reale una legge f : A

CORSO DI ORDINAMENTO. Tema di: SISTEMI, AUTOMAZIONE E ORGANIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE

INDICAZIONI PER LA RICERCA DEGLI ASINTOTI VERTICALI

Cenni sull'impiego di Matlab. Matrici

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

Fondamenti di Automatica - I Parte Il progetto del controllore

CORSO DI STATISTICA (parte 1) - ESERCITAZIONE 5

CORSO DI ORDINAMENTO. Tema di: SISTEMI, AUTOMAZIONE E ORGANIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE

Capitolo. La funzione di trasferimento. 2.1 Funzione di trasferimento di un sistema. 2.2 L-trasformazione dei componenti R - L - C

Fondamenti di Automatica

Prova scritta di Controlli Automatici

Studio di funzione. Tutti i diritti sono riservati. E vietata la riproduzione, anche parziale, senza il consenso dell autore. Funzioni elementari 2

Funzioni di trasferimento. Lezione 14 2

Le macchine in corrente continua sono composte da una parte fissa (statore o induttore) e da una parte rotante (rotore o indotto).

Una definizione di stabilità più completa di quella precedentemente introdotta fa riferimento ad una sollecitazione impulsiva.

EQUAZIONI DIFFERENZIALI. 1. Trovare tutte le soluzioni delle equazioni differenziali: (a) x = x 2 log t (d) x = e t x log x (e) y = y2 5y+6

REGOLATORI STANDARD PID

Esercizi su risposta libera e modi naturali nel dominio del tempo

FONDAMENTI DI AUTOMATICA. Michele Basso, Luigi Chisci e Paola Falugi

A.S. 2008/2009 CLASSE 5BEA SISTEMI AUTOMATICI SINTESI DEL CORSO

Control System Toolbox

2.5 Stabilità dei sistemi dinamici funzioni di trasferimento, nella variabile di Laplace s, razionali fratte del tipo:

TECNICHE DI CONTROLLO

Laboratorio di Automazione. Azionamenti Elettrici: Generalità e Motore DC

Esercizio C2.1 - Acquisizione dati: specifiche dei blocchi

PROGRAMMA SVOLTO fino al Fine del corso

MATLAB Analisi di Sistemi LTI

Stabilità dei sistemi di controllo in retroazione

Esercizi proposti di Fondamenti di Automatica - Parte 4

Esercizi di Fondamenti di Automatica

NUMERI COMPLESSI. Test di autovalutazione

La funzione di trasferimento

Fondamenti di Automatica

INTRODUZIONE ARGOMENTO => SI PUO EFFETTUARE UNA MODELLAZIONE DELLE STRUTTURE IN PRESENZA DI SOTTOSUOLI DI CATEGORIA S1 O S2?????

La trasformata Zeta. Marco Marcon

LA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO

Introduzione. Margine di ampiezza... 2 Margine di fase... 5 Osservazione... 6 Margini di stabilità e diagrammi di Bode... 6

SISTEMI DIGITALI DI CONTROLLO

Politecnico di Bari Facoltà di Ingegneria

REGOLATORI STANDARD O PID

SPECIFICHE DI UN SISTEMA IN ANELLO CHIUSO

ESERCITAZIONE ( ) Ing. Stefano Botelli

Diagonalizzazione di matrici e applicazioni lineari

Controllo del moto e robotica industriale

MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ, DELLA RICERCA SCUOLE ITALIANE ALL ESTERO

Esempi di funzione. Scheda Tre

Consideriamo due polinomi

RIDUZIONE DELLE DISTANZE

FONDAMENTI DI AUTOMATICA / CONTROLLI AUTOMATICI

Istituto Tecnico Industriale Statale Enrico Mattei

Classificazione Singolarità isolate, Serie di Laurent, Residui, Teorema dei residui e applicazioni

Progetto di un sistema di controllo nel dominio della frequenza

REGOLATORI STANDARD PID

Esercizi sui Motori a Combustione Interna

Politecnico di Milano. Fondamenti di Automatica (CL Ing. Gestionale) a.a Prof. Silvia Strada Prima prova intermedia 28 Novembre 2014 SOLUZIONE

RICHIAMI SULLE MATRICI. Una matrice di m righe e n colonne è rappresentata come

SESSIONE ORDINARIA 2007 CORSO DI ORDINAMENTO SCUOLE ITALIANE ALL ESTERO - AMERICHE

Sistemi di controllo industriali

Fondamenti di Automatica

L equilibrio dei gas. Lo stato di equilibrio di una data massa di gas è caratterizzato da un volume, una pressione e una temperatura

LUOGO DELLE RADICI. G(s) H(s) 1+KG(s)H(s)=0

Sistemi e modelli matematici

SIMULAZIONE TEST ESAME - 1

Corso Tecnologie dei Sistemi di Controllo. Tecniche di taratura di un PID

Esercizi svolti Esperimentazioni di Fisica 2 A.A Elena Pettinelli

Metodi Frequenziali per il Progetto di Controllori MIMO: Controllori Decentralizzati

PROBLEMI DI SCELTA dipendenti da due variabili d azione

REGOLATORI STANDARD PID

La modellazione delle strutture

FUNZIONI CONTINUE - ESERCIZI SVOLTI

ESERCIZI DEL CORSO DI INFORMATICA

Esercizi sui Circuiti RC

STRUTTURE ISOSTATICHE REAZIONI VINCOLARI ED AZIONI INTERNE

Complementi di Controllo Digitale

Indice. Capitolo 1 Introduzione Capitolo 2 Rappresentazioni lineari e modelli di sistemi da diverse discipline... 9

Transcript:

Politecnico di Torino - Consorzio Nettuno Michele Taragna Corso di Teoria dei Sistemi - 955N Raccolta di esercizi svolti tratti da temi d esame Diploma Universitario a Distanza in Ingegneria Informatica Polo Tecnologico di Torino Edizione. - Novembre Riproduzione totale o parziale vietata senza il consenso scritto dell autore

Tema d esame # Sia data la seguente rappresentazione in variabili di stato di un sistema dinamico non lineare, a tempo continuo: ẋ (t) x (t) ẋ (t) g K u (t) m x (t) β m x (t) y (t) H x (t) dove m Kg, K 4 Nm A, g ms, H 5 Vm, β 4 Nsm. Con riferimento a tale sistema, ed assumendo x (t) t:. calcolare gli stati e l uscita di equilibrio per u (t) u Apert ;. studiare la stabilità locale degli stati di equilibrio determinati al punto precedente. Soluzione. All equilibrio, si ha che: e quindi: da cui x (t) x costante ẋ (t) dx dt x (t) x costante ẋ (t) dx dt dx dt x dx dt g K u m x x K u x ± m g Poiché si ipotizza x (t) t, si ottiene: x β m x g K u m x K m g u K u.63 m m g x ms y H x 3.63 V. Per quanto concerne lo studio della stabilità locale dello stato di equilibrio x precedentemente determinato, occorre innanzi tutto linearizzare il sistema dinamico non lineare assegnato: ẋ (t) x (t) f (x, u) ẋ (t) g K u (t) m x (t) β m x (t) f (x, u)

ottenendo in particolare come matrice di stato A del sistema linearizzato: A f x xx uu K u β m x 3 m u m g 3 β K m 36.3 Si procede quindi al calcolo degli autovalori di A: λ det (λi A) 36.3 λ + λ +λ 36.3 { λ +47.6 λ 67.6 Poiché risulta Re (λ (A)) >, lo stato di equilibrio x del sistema non lineare è instabile.

Tema d esame #. Con riferimento ai due sistemi sotto schematizzati, determinare le funzioni di trasferimento V C (s)/i (s) e V (s)/f (s) e dimostrare che hanno identica struttura.. Della seguente funzione di trasferimento G (s), tracciare i diagrammi di Bode e il diagramma di Nyquist: s G (s) s + s + Soluzione. Si consideri dapprima il sistema elettrico. Le equazioni costitutive dei componenti reattivi sono: i c (t) C dv c (t) dt v L (t) L di L (t) dt l equazione alla maglia individuata da R - L - C risulta essere: e l equazione al nodo èparia: v C (t) R i L (t)+v L (t) i (t) i L (t)+i C (t) Passando alle trasformate di Laplace, e ricordando che le funzioni di trasferimento sono definite per condizioni iniziali nulle, si ricava: e quindi I C (s) s C V C (s) V L (s) s L I L (s) V C (s) R I L (s)+v L (s) I (s) I L (s)+i C (s) V C (s) R I L (s)+v L (s)r I L (s)+s L I L (s)(r + s L) I L (s) (R + s L) I (s) I C (s)(r + s L) I (s) s C V C (s) (R + s L) I (s) s C (R + s L) V C (s) 3

per cui la funzione di trasferimento desiderata vale: V C (s) I (s) Si consideri ora il sistema meccanico. traslazione di massa M è: L s + R C L s + C R s + L equazione del moto del corpo in Mẍ (t) M v (t) f (t) β ẋ (t) ẋ (t) f (t) β v (t) ẋ (t) mentre per il punto materiale presente fra lo smorzatore β elamollak si ha: ẍ (t) β ẋ (t) ẋ (t) k x (t) β ẋ (t) v (t) k x (t) Passando alle trasformate di Laplace, e ricordando che le funzioni di trasferimento sono definite per condizioni iniziali nulle, si ricava: M s V (s) F (s) β V (s) s X (s) β s X (s) V (s) k X (s) X (s) e quindi: M s + β k V (s) F (s) β s + k per cui la funzione di trasferimento desiderata vale: V (s) F (s) β s + k M β s + M k s + β k k s + β β β s + k V (s) M k s + M β s + Si può pertanto osservare che le funzioni di trasferimento V C (s)/i(s) e V (s)/f (s) hanno la medesima struttura. Questo risultato può essere altresì visto in un più ampio contesto: si parla infatti di analogia elettromeccanica fra sistemi elettrici e meccanici, in quanto ad un qualsiasi sistema elettrico R-L-C può essere fatto corrispondere un opportuno sistema meccanico massa-molla-smorzatore i cui elementi hanno i seguenti valori numerici: M C k L β R. In forma fattorizzata di Bode, la funzione di trasferimento può essere scritta come: G(jω) jω (jω) + jω + jω (jω) + jω + 4 jω (jω) + jω + jω + jω ( jω + )

e presenta uno zero reale nel semipiano destro ed una coppia di poli complessi coniugati nel semipiano sinistro. Il punto di rottura dello zero reale si trova in ω rad/s; la pulsazione naturale della coppia di poli complessi coniugati si trova in ω n rad/s ed il coefficiente di smorzamento vale ζ.5; il guadagno di Bode vale k e quindi il suo modulo in db vale k db db. Il diagramma asintotico dei moduli, non essendovi poli nell origine, proviene da ω orizzontale con ordinata pari al guadagno di Bode espresso in db, e, dato che l eccedenza poli-zeri èparia,perω la pendenza èdi db / dec. Il diagramma asintotico delle fasi, non essendovi poli nell origine, proviene da ω con valore pari a ; poiché inoltre lo zero reale nel semipiano destro ha lo stesso diagramma di fase di un polo reale nel semipiano sinistro, per ω la fase tende al valore di 7. Se il tracciamento del diagramma asintotico dei moduli non presenta difficoltà, nel tracciamento del diagramma esatto dei moduli si deve tener conto che, in corrispondenza alla pulsazione naturale della coppia di poli complessi coniugati, si devono apportare delle correzioni che sono funzioni del valore di ζ. Poiché in questo caso ζ è inferiore al coefficiente di smorzamento critico, si presenta il fenomeno della risonanza. In particolare, il picco di risonanza vale in questo caso M r e la frequenza di risonanza vale ζ.5. db ζ ω r ω n ζ 9.975 rad/s 5

3 Diagrammi di Bode di G(s)*( s)/(s +s+) Magnitude (db) 3 4 3 Frequency (rad/sec) 5 Phase (deg) 5 5 3 3 6 Frequency (rad/sec) Diagramma di Nyquist di G(s)*( s)/(s +s+) Linea continua: pulsazioni positive; linea a tratti: pulsazioni negative 4 Imaginary Axis To: Y() 4 6 8 6 4 Real Axis 6

Tema d esame #3 Sia data la seguente rappresentazione in variabili di stato di un sistema dinamico lineare, a tempo continuo: dove A 5 6 Con riferimento a tale sistema: ẋ (t) A x (t)+b u (t) y (t) C x (t)+d u (t), B, C, D. studiare le proprietà di raggiungibilità ed osservabilità;. calcolare la funzione di trasferimento G (s) Y (s)/u (s); 3. calcolare la risposta dello stato x (t) all ingresso u (t) t t, assumendo come condizione iniziale x (t ) ; 4. calcolare la risposta dell uscita y (t) all ingresso u (t) t, assumendo condizioni iniziali nulle. Soluzione. Per quanto riguarda la proprietà di raggiungibilità: R B AB 6 ρ (R) e quindi il sistema è completamente raggiungibile. Per quanto riguarda la proprietà di osservabilità: C O CA ρ (O) e quindi il sistema non è completamente osservabile. L insieme degli stati inosservabili si ottiene dal nucleo della matrice di osservabilità O: I Ker(O) {x I : O x I } x I x I 5 per cui la matrice di trasformazione T vale: T x I x I 5 5 7 T 5 6 6 6 5 6

La forma canonica di Kalman di osservabilità è quindi: dove A O TAT 6 5 ż (t) A O z (t)+b O u (t) y (t) C O z (t)+d u (t) z Tx, B O TB 5x + x 6 x 5x 6 6 5 6, C O CT 5 Lo stato x 5x non è pertanto osservabile. 6. Data la rappresentazione in variabili di stato del sistema, la corrispondente funzione di trasferimento G (s) èdatada: G (s) C (si A) B + D dove (si A) s s +6 5 s +6 s (s +6)+5 5 s s +6 (s +)(s +5) 5 s e quindi G (s) (s +)(s +5) s +6 5 s s (s +)(s +5) s +5 (s +)(s +5) s + + s (s +)(s +5) 3. Dato il sistema dinamico, utilizzando le trasformate di Laplace si ricava: X(s)(sI A) x (t)+(si A) BU(s)(sI A) x (t)+bu(s) dove: U (s) L{u (t)} L{ t} s 8

e quindi: x (t )+BU (s) + s Essendo stato ricavato al punto precedente che: (si A) s +6 (s +)(s +5) 5 s si ottiene: X (s) s +6 (s +)(s +5) 5 s (s +)(s +5) s 3 +5s + s (s +)(s +5) s 5s + s (s +)(s +5) s 3 +5s + s s 5s + s X (s) X (s) s s s s Per antitrasformare le componenti di X (s), occorre dapprima scomporle in fratti semplici: X (s) s3 +5s + s (s +)(s +5) R, + R, + R,3 s s s + + R,4 s +5 dove: R, d s 3 +5s + li m s s s X (s) lim s ds s +6s +5 5.4 R, li ms s 3 +5s + X (s) lim s s s +6s +5 R,3 li m s 3 +5s + (s) lim 7 s s s (s +5) 3.5 e quindi: R,4 li m s 5 (s +5) X (s) lim s 5 s 3 +5s + s (s +). x (t) L {X (s)}.4+t +3.5e t.e 5t, t In maniera del tutto analoga, si ricava che: X (s) s 5s + s (s +)(s +5) R, + R, s s + + R,3 s +5 9

dove: e quindi: R, li m s s X (s) lim s s 5s + (s +)(s +5) R, li m s (s +) X (s) lim s R,3 li m s 5 (s +5) X (s) lim s 5 s 5s + s (s +5) s 5s + s (s +) 7 3.5.5 x (t) L {X (s)} 3.5e t +.5e 5t, t Evoluzione dello stato 8 X (linea continua), X (linea tratto punto) 6 4 3 4 5 6 Tempo (s) 4. Dato il sistema dinamico, utilizzando le trasformate di Laplace ed osservando che le condizioni iniziali sono nulle, si ha che: Y (s) C (si A) x (t )+ C (si A) B + D U (s) G (s) U (s) dove in questo caso: U (s) L{u (t)} L{ δ (t)} s

e quindi: con: per cui risulta che: Y (s) G (s) U (s) s + s s (s +) R s + R s + R li ms Y (s) lim s s s + R li m (s +) Y (s) lim s s y (t) e t, t s Evoluzione dell uscita.8.6.4. Y.8.6.4. 3 4 5 6 Tempo (s)

Tema d esame #4 Si consideri il sistema dinamico risultante dall interconnessione dei due seguenti sottosistemi: la parte elettrica di un motore elettrico in corrente continua comandato in armatura, descritto dalla seguente equazione di stato: di a (t) dt R a i a (t)+ v a (t) dove v a (t) ed i a (t) sono rispettivamente la tensione e la corrente di armatura, R a 5Ω, mh; l azionamento elettrico descritto dalle seguenti equazioni: dz (t) i diff (t) dt v a (t) K i z (t)+r p i diff (t) i diff (t) i rif (t) i a (t) dove i rif (t) è la corrente imposta (o desiderata o di riferimento). Facendo riferimento al sistema dinamico complessivo:. si determini il modello in variabili di stato, assumendo come ingresso la corrente i rif (t), come uscita la corrente di armatura i a (t), come variabili di stato i a (t) e z (t);. si calcolino i valori di R p e K i che assicurano la stabilità asintotica; 3. si calcolino i valori di R p e K i che garantiscono il posizionamento degli autovalori del sistema complessivo in λ e λ ; 4. assumendo R p 5e K i : Soluzione 4.a. si trovino gli autovalori del sistema complessivo; 4.b. si calcoli la funzione di trasferimento I a (s) /I rif (s) e se ne i traccino i diagrammi di Bode e di Nyquist; 4.c. si calcoli analiticamente la risposta al gradino, supponendo nulle le condizioni iniziali; 4.d. si studino le proprietà di raggiungibilità e di osservabilità.. Scegliendo come variabili di ingresso, stato ed uscita: u i rif, x ia z x x, y i a

le equazioni di stato ed uscita possono essere riscritte come: ẋ R a x + v a R a x + (K i x + R p i diff ) R a x + (K i x + R p u R p x ) R a + R p ẋ i diff u x y x x + K i x + R p u oppure in forma matriciale, essendo il sistema lineare: con A R a + R p K i ẋ (t) A x (t)+b u (t) y (t) C x (t)+d u (t), B R p, C, D. Per studiare le proprietà di stabilità del sistema, occorre determinare gli autovalori della matrice di stato A del sistema: det (λi A) λ + R a + R p K i λ + R a + R p λ+ K i λ +α λ+α λ Affinché il sistema sia asintoticamente stabile, occorre che i autovalori di A siano entrambi con parte reale strettamente negativa; per la regola di Cartesio, questo corrisponde a richiedere che tutti i coefficienti di det (λi A) siano dello stesso segno, ossia: α R a + R p > R p > R a 5Ω α K i > K i > 3. Per garantire il posizionamento degli autovalori in λ e λ, occorre imporre che le radici del polinomio caratteristico siano quelle desiderate, ossia bisogna che: e quindi: det (λi A) λ + α λ + α (λ λ ) (λ λ ) (λ + ) (λ + ) λ + 3λ + α R a + R p 3 R p 3 R a 5Ω α K i K i 4 3

4.a. I valori da imporre ad R p e K i sono esattamente quelli ottenuti al punto precedente, e quindi risulta λ e λ. 4.b. La funzione di trasferimento I a (s) /I rif (s) può essere calcolata come: I a (s) I rif (s) Y (s) U (s) C (si A) B + D dove: A 3, B 5, C, D In questo caso: (si A) e quindi G (s) s+3 s (s+) (s+) s (s + ) (s + ) s + 3 s 5 5s + (s + ) (s + ) 5 s + 8 (s + ) (s + ) ( + s ) ( 8 + s ) ( + s (s + ) (s + ) ) ( + s s s+3 + s ) 8 5 ( + s La funzione di trasferimento può anche essere calcolata trasformando con Laplace le equazioni del sistema sotto l ipotesi di condizioni iniziali nulle: ) per cui: s I a (s) R a I a (s)+ V a (s) s Z (s) I diff (s) V a (s) K i Z (s)+r p I diff (s) I diff (s) I rif (s) I a (s) s I a (s) R a I a (s)+ K i Z (s)+r p I diff (s) R a I a (s)+ K i Idiff (s) + R p I diff (s) s R a I a (s)+ ( ) Ki s + R p I rif (s) I a (s) R a ( ) Ki s + R p I a (s)+ ( ) Ki s + R p I rif (s) 4

e quindi: I a (s) I rif (s) s R p + K i s + s (R a + R p )+K i R p Diagrammi di Bode di G(s)(+s/8)/(+s/)*(+s/) s + K i R p s + s Ra + R p + K i Magnitude (db) 3 4 3 4 5 Frequency (rad/sec) Phase (deg) 4 6 8 3 4 5 Frequency (rad/sec) Diagramma di Nyquist di G(s)(+s/8)/(+s/)*(+s/) Linea continua: pulsazioni positive; linea a tratti: pulsazioni negative.5.4.3. Imaginary Axis To: Y()....3.4.5...4.6.8. Real Axis 5

4.c. Dato il sistema dinamico, utilizzando le trasformate di Laplace ed osservando che le condizioni iniziali sono nulle, si ha che: Y (s) C (si A) x (t )+ C (si A) B + D U (s) G (s) U (s) dove in questo caso: e quindi: Y (s) G (s) U (s) con: U (s) L{u (t)} L{ δ (t)} s 5s + (s + ) (s + ) s R s + R s + + R 3 s + R li m s s Y (s) lim s 5s + (s + ) (s + ) R li m (s + ) Y (s) lim s R 3 li m (s + ) Y (s) lim s 5s + s s (s + ) s 5s + s (s + ) per cui risulta che: y (t) +.5e t.5e t, t. Step Response From: U().5 3.5..9.8 Amplitude To: Y().7.6.5.4.3.. 3 4 5 6 7 8 Time (sec.) x 3 4.d. Per quanto riguarda la proprietà di raggiungibilità: R B AB 5 55 ρ (R) 5 e quindi il sistema è completamente raggiungibile. Per quanto riguarda la proprietà di osservabilità: C O ρ (O) CA 3 e quindi il sistema è anche completamente osservabile. 6