Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento
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Nella progettazione di un controllore la scelta più semplice è un guadagno (controllo proporzionale). Come cambiano i poli del sistema in anello chiuso quando varia? Se è la funzione di trasferimento in catena aperta, i poli di sono le radici di (Schemi di controllo in retroazione e funzioni di trasferimentoNello schema in retroazione unitaria negativa (controllore $C$, processo $G$) la FdT in catena aperta è $\tilde G=CG$ e quella in catena chiusa $W=\frac{\tilde G}{1+\tilde G}$; l'errore è $E=\frac{R}{1+\tilde G}=(1-W)R$. Zeri di $W$ = zeri di $\tilde G$, poli di $W$ = zeri di $1+\tilde G$. La BIBO stabilità di $W$ è un'altra cosa dalla stabilità di $G$: la retroazione sposta i poli. Le cancellazioni di fattori instabili tra $C$ e $G$ sono proibite.Schemi di controllo in retroazione e funzioni di trasferimento →). Il luogo delle radici disegna nel piano complesso tutte le posizioni che questi poli assumono al variare di : con un solo disegno si vede per quali il sistema è BIBO stabile (tutti i rami nel semipiano sinistro), come si muovono i poli e quando diventano complessi (risposta oscillante).
Definizione
Si assume con monici e coprimi e (se non lo è, e basta assorbire in : si chiama guadagno di Evanscostante moltiplicativa di G quando numeratore e denominatore sono monici). Si scrive con poli e zeri di , in generale complessi. Essendo con numeratore e denominatore coprimi, i poli di sono esattamente le radici di . Si definiscono: Il luogo positivoinsieme dei poli del sistema retroazionato per K>0 è quello di (retroazione "ordinaria" con guadagno positivo), il luogo negativo quello di (Luogo negativo delle radiciIl luogo negativo $\mathcal L_-$ ($K<0$) ha la condizione di fase con multipli pari di $\pi$: un punto reale è nel luogo negativo se alla sua destra ci sono un numero pari di poli+zeri reali; gli asintoti hanno direzioni $\frac{2i\pi}{n-m}$ ($i=0,\dots,n-m-1$) e lo stesso centro; punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario si trovano con le stesse equazioni, accettando $K<0$. Ogni punto reale (non polo/zero) appartiene esattamente a uno dei due luoghi.Luogo negativo delle radici →). Questa nota studia il luogo positivo.
Condizione di appartenenza: modulo e fase
Un punto (che non sia uno zero di ) appartiene a se e solo se esiste con , cioè . Scrivendo il numero complesso in modulo e fase: La seconda dice se sta nel luogo; la prima dà il valore di che ci porta in . Esplicitando le fasi:
Le regole
1. Numero di rami e punti di partenza. Per le radici di tendono alle radici di : gli rami partono dagli poli di (un polo di molteplicità è punto di partenza di rami).
2. Punti di arrivo. Per rami tendono agli zeri di (infatti tende a ), gli altri vanno all'infinito (zeri "impropri" di ).
3. Simmetria. Poiché i coefficienti di sono reali, le radici complesse sono a coppie coniugate: il luogo è simmetrico rispetto all'asse reale.
4. Punti dell'asse reale. Un punto reale (che non sia polo o zero) appartiene a se e solo se Dimostrazione. Nella condizione di fase, le coppie coniugate di poli e di zeri complessi danno contributi (opposti). I poli e zeri reali danno se (a sinistra: ) e se (a destra). La somma vale quindi , che modulo coincide con (perché modulo ): è un multiplo dispari di se e solo se il numero totale di radici reali a destra è dispari.
5. Asintoti. I rami che vanno all'infinito si dispongono lungo semirette uscenti da un punto dell'asse reale, il centro (o baricentro) , con direzioni Perché le direzioni: per grande , e dà , cioè . Perché il centro: per la somma delle radici di è , indipendente da (il coefficiente di non contiene ), cioè . Per grande radici stanno vicino agli zeri e le restanti lungo gli asintoti, la cui somma è quindi : il baricentro è . Se c'è un solo asintoto, l'asse reale.
6. Guadagno in un punto. Se , il guadagno che porta una radice in è Sull'asse reale la funzione è reale: i tratti dell'asse in cui sono esattamente quelli del luogo positivo (verifica della regola 4), e gli estremi locali di sono i punti doppi (Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginarioI punti doppi (multipli) del luogo sono i valori $s$ per cui $d+Kn$ ha una radice multipla: soddisfano $d'(s)n(s)-d(s)n'(s)=0$ con $K=-\frac{d}{n}$. Dall'equazione si tolgono le radici che sono poli o zeri multipli di $G$ (corrispondono a $K=0$ o $\infty$); una soluzione è punto doppio del luogo positivo (negativo) solo se $K(s)$ è reale positivo (negativo). Le intersezioni con l'asse immaginario si trovano da $d(j\omega)+Kn(j\omega)=0$ (due equazioni reali in $\omega,K$) o con la tabella di Routh in $K$ (riga nulla).Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario →).
Esempio:
Qui , , poli , nessuno zero.
- Rami: tre, partono da e vanno tutti all'infinito ().
- Asse reale (positivo): a destra di c'è un polo (): dispari ✓; : due poli (): pari ✗; : tre poli: dispari ✓. Il luogo contiene e .
- Asintoti: direzioni , centro .
- Conseguenze: i rami da e da si incontrano nel segmento (punto doppio in , con ) e poi lasciano l'asse reale verso gli asintoti a , che puntano nel semipiano destro: devono quindi attraversare l'asse immaginario, in per . Il ramo da scende lungo l'asse reale verso . Dunque è BIBO stabile per (verificato con Routh: è di Hurwitz ).
Grafico interattivo: Luogo positivo di G = 1/(s(s+1)(s+2)): i rami da 0 e da −1 si incontrano nel punto doppio −0,423 (K ≈ 0,385) e vanno verso gli asintoti a ±60° con centro in −1, che attraversano l'asse immaginario in ±j√2 per K = 6; il ramo da −2 va a −∞. Poli: punti pieni; zeri: cerchietti; asintoti: tratteggiati.
La funzione sull'asse reale mostra i tratti del luogo (dove è positiva):
Grafico interattivo: K(x) = −x(x+1)(x+2) sull'asse reale: positiva per x in (−1, 0) e per x < −2 (tratti del luogo positivo), massimo locale 0,385 in x = −0,423 (punto doppio)
Un secondo esempio: asintoti sull'asse immaginario
: , , zero in . Asintoti: , direzioni , centro : gli asintoti coincidono con l'asse immaginario. Asse reale: (un polo a destra), (tre radici a destra: ) ✓. Il ramo da va a (zero), gli altri due si incontrano in e vanno verso gli asintoti senza mai attraversare l'asse, perché ha tabella di Routh con elementi , tutti positivi per ogni : stabile per ogni (per i poli sono e : i rami tendono all'asse immaginario da sinistra).
Grafico interattivo: Luogo positivo di G = (s+3)/(s(s+1)(s+2)): il ramo da −2 arriva allo zero in −3, gli altri due si incontrano in −0,468 (K ≈ 0,151) e tendono all'asse immaginario (asintoti verticali con centro 0) senza mai attraversarlo. Poli: punti pieni; zeri: cerchietti; asintoti: tratteggiati.
Errori comuni
- Contare tra i poli e zeri "a destra" anche quelli complessi: contano solo quelli reali.
- Dimenticare la molteplicità di poli e zeri multipli nel conteggio (un polo doppio conta ).
- Sbagliare il centro degli asintoti (somma dei poli meno somma degli zeri, diviso ) o le direzioni (positivo: ).
- Pensare che il luogo "arrivi" dove vuole: ogni ramo parte da un polo e finisce in uno zero o all'infinito.
- Usare non monica: se , il del luogo è (e un scambia i luoghi).
Versione ripasso
Definizione
- Si considera con monici e coprimi, ; se si assorbe in (Schemi di controllo in retroazione e funzioni di trasferimentoNello schema in retroazione unitaria negativa (controllore $C$, processo $G$) la FdT in catena aperta è $\tilde G=CG$ e quella in catena chiusa $W=\frac{\tilde G}{1+\tilde G}$; l'errore è $E=\frac{R}{1+\tilde G}=(1-W)R$. Zeri di $W$ = zeri di $\tilde G$, poli di $W$ = zeri di $1+\tilde G$. La BIBO stabilità di $W$ è un'altra cosa dalla stabilità di $G$: la retroazione sposta i poli. Le cancellazioni di fattori instabili tra $C$ e $G$ sono proibite.Schemi di controllo in retroazione e funzioni di trasferimento →).
- Poli di : radici di , con e .
- Luogo positivo ; luogo negativo per (Luogo negativo delle radiciIl luogo negativo $\mathcal L_-$ ($K<0$) ha la condizione di fase con multipli pari di $\pi$: un punto reale è nel luogo negativo se alla sua destra ci sono un numero pari di poli+zeri reali; gli asintoti hanno direzioni $\frac{2i\pi}{n-m}$ ($i=0,\dots,n-m-1$) e lo stesso centro; punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario si trovano con le stesse equazioni, accettando $K<0$. Ogni punto reale (non polo/zero) appartiene esattamente a uno dei due luoghi.Luogo negativo delle radici →). La nota studia .
Appartenenza di un punto
- Se non è zero di : dà il valore di taratura, e la condizione di fase è .
Regole di tracciamento
- Rami: rami partono dai poli (per ); un polo di molteplicità è punto di partenza di rami.
- Arrivi: per rami tendono agli zeri, gli altri vanno all'infinito.
- Simmetria: i coefficienti sono reali, quindi il luogo è simmetrico rispetto all'asse reale.
- Asse reale: un punto reale (non polo né zero) appartiene a se il numero di poli e zeri reali a destra di , contati con molteplicità, è dispari.
- Prova: le coppie complesse coniugate danno contributi opposti alla fase; ogni polo o zero reale a destra dà , a sinistra . La somma è un multiplo dispari di se e solo se il numero di radici reali a destra è dispari.
- Asintoti: semirette con direzioni , , uscenti dal centro .
- Direzioni: per grande e dà .
- Centro: per la somma delle radici di è , indipendente da ; per grande la somma delle radici lontane è .
- Con c'è un solo asintoto, l'asse reale.
- Guadagno in un punto: se , . Sull'asse reale è reale, i suoi estremi locali sono i punti doppi (Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginarioI punti doppi (multipli) del luogo sono i valori $s$ per cui $d+Kn$ ha una radice multipla: soddisfano $d'(s)n(s)-d(s)n'(s)=0$ con $K=-\frac{d}{n}$. Dall'equazione si tolgono le radici che sono poli o zeri multipli di $G$ (corrispondono a $K=0$ o $\infty$); una soluzione è punto doppio del luogo positivo (negativo) solo se $K(s)$ è reale positivo (negativo). Le intersezioni con l'asse immaginario si trovano da $d(j\omega)+Kn(j\omega)=0$ (due equazioni reali in $\omega,K$) o con la tabella di Routh in $K$ (riga nulla).Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario →).
Esempio 1:
- , , poli , nessuno zero.
- Asse reale: ha un polo a destra (dispari, nel luogo); ne ha due (pari, fuori); ne ha tre (nel luogo). Il luogo contiene e .
- Asintoti: direzioni , centro .
- I rami da e si incontrano in un punto doppio con , poi lasciano l'asse verso gli asintoti a e attraversano l'asse immaginario in per .
- Il ramo da va verso lungo l'asse reale.
- Conclusione: è BIBO stabile per , in accordo con Routh su .
- Verifica sull'asse reale: è positiva per (per esempio ) e per (per esempio ), negativa in (per esempio ): i tratti positivi coincidono con il luogo.
Esempio 2:
- , , zero in . Asintoti: , direzioni , centro : gli asintoti coincidono con l'asse immaginario.
- Asse reale: e . Il ramo da va verso lo zero ; gli altri due si incontrano in e vanno verso gli asintoti senza attraversare l'asse.
- Routh su : elementi tutti positivi per , quindi stabile per ogni . Per i poli sono e .
Ordine di tracciamento
- Riportare poli e zeri nel piano, con le molteplicità.
- Colorare l'asse reale a tratti (regola 4).
- Tracciare gli asintoti (regola 5) con il centro.
- Cercare i punti doppi come estremi di e le intersezioni con l'asse immaginario (con Routh o con ).
- Chiudere i rami con le direzioni di partenza e di arrivo.
Come si legge il luogo
- Il luogo dà i poli di per ogni : il sistema è BIBO stabile per i valori di per cui tutti i rami stanno in .
- Un ramo che attraversa l'asse immaginario indica il valore critico di ; in quel punto ha poli immaginari e non è BIBO stabile.
- Un tratto complesso indica una risposta oscillante, con parte reale del polo che determina lo smorzamento.
- Per il valore di in un punto si usa , senza ricalcolare le radici.
Errori tipici
- Contare tra i poli e zeri a destra anche quelli complessi: contano solo quelli reali.
- Dimenticare la molteplicità di poli e zeri multipli nel conteggio: un polo doppio conta .
- Sbagliare il centro degli asintoti (somma dei poli meno somma degli zeri, diviso ) o le direzioni.
- Usare non monica: con il guadagno del luogo è .
- Scambiare luogo positivo e negativo: sull'asse reale la parità si inverte (pari per il negativo).
- Dimenticare il punto doppio quando due rami si incontrano sull'asse reale e poi si separano.
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 12 · luogo delle radici con zeri e poli doppi (temi d'esame luglio 2025 e gennaio 2023)
- Esercizio 13 · luogo delle radici con un polo doppio instabile e studio con Routh (temi d'esame luglio 2024 e gennaio 2021)
- Esercizio 14 · luogo delle radici con due poli nell'origine e punti doppi complessi (tema d'esame febbraio 2023)
- Esercizio 15 · luogo delle radici con zeri doppi nell'origine e asse immaginario nel luogo (tema d'esame settembre 2025)
- Esercizio 16 · luogo delle radici con parametro incognito da un punto doppio (tema d'esame giugno 2023)
- Esercizio 17 · luogo delle radici con zeri immaginari, Routh e controllore proporzionale con polo doppio (tema d'esame settembre 2024)
- Esercizio 18 · luogo delle radici di un sistema instabile con zero doppio (tema d'esame gennaio 2025)
- Esercizio 26 · integratore con operazionale quasi ideale e luogo delle radici (tema d'esame luglio 2014)
Teoria collegata
- Controlli automatici in Python - scipy.signal e sympy
- Criterio di Nyquist - poli sull'asse immaginario e guadagno variabile
- Domande di teoria ricorrenti - enunciati e dimostrazioni
- Formulario - controlli automatici
- Luogo delle radici - punti doppi e intersezioni con l'asse immaginario
- Luogo delle radici - stabilità BIBO al variare di K
- Luogo negativo delle radici
- Schemi di controllo in retroazione e funzioni di trasferimento