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Note per Studenti Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento

Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento

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Nella progettazione di un controllore la scelta più semplice è un guadagno KK (controllo proporzionale). Come cambiano i poli del sistema in anello chiuso quando KK varia? Se G=ndG=\frac nd è la funzione di trasferimento in catena aperta, i poli di WK=KG1+KGW_K=\frac{KG}{1+KG} sono le radici di d(s)+Kn(s)=0d(s)+Kn(s)=0 (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 KK: con un solo disegno si vede per quali KK 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 G(s)=n(s)d(s)G(s)=\frac{n(s)}{d(s)} con n,d∈R[s]n,d\in\mathbb R[s] monici e coprimi e deg⁡d=n≥deg⁡n=m\deg d=n\ge\deg n=m (se non lo è, G=KEndG=K_E\frac nd e basta assorbire KEK_E in KK: KEK_E si chiama guadagno di Evanscostante moltiplicativa di G quando numeratore e denominatore sono monici). Si scrive d(s)=∏i=1n(s−pi),n(s)=∏i=1m(s−zi),d(s)=\prod_{i=1}^n(s-p_i),\qquad n(s)=\prod_{i=1}^m(s-z_i), con pip_i poli e ziz_i zeri di GG, in generale complessi. Essendo WK=Knd+KnW_K=\frac{Kn}{d+Kn} con numeratore e denominatore coprimi, i poli di WKW_K sono esattamente le radici di d(s)+Kn(s)d(s)+Kn(s). Si definiscono: L+={s∈C: ∃K>0, d(s)+Kn(s)=0},L−={s∈C: ∃K<0, d(s)+Kn(s)=0}.\mathcal L_+=\{s\in\mathbb C:\ \exists K>0,\ d(s)+Kn(s)=0\},\qquad\mathcal L_-=\{s\in\mathbb C:\ \exists K<0,\ d(s)+Kn(s)=0\}. Il luogo positivoinsieme dei poli del sistema retroazionato per K>0 L+\mathcal L_+ è quello di K>0K>0 (retroazione "ordinaria" con guadagno positivo), il luogo negativo quello di K<0K<0 (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 α∈C\alpha\in\mathbb C (che non sia uno zero di nn) appartiene a L+\mathcal L_+ se e solo se esiste K>0K>0 con d(α)+Kn(α)=0d(\alpha)+Kn(\alpha)=0, cioè d(α)n(α)=−K\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}=-K. Scrivendo il numero complesso −K-K in modulo e fase: ∣d(α)n(α)∣=K(condizione di taratura),∠d(α)−∠n(α)=(2h+1)π,  h∈Z(condizione di fase).\left|\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}\right|=K\quad\text{(condizione di taratura)},\qquad\angle d(\alpha)-\angle n(\alpha)=(2h+1)\pi,\ \ h\in\mathbb Z\quad\text{(condizione di fase)}. La seconda dice se α\alpha sta nel luogo; la prima dà il valore di KK che ci porta in α\alpha. Esplicitando le fasi: ∑i=1n∠(α−pi)−∑i=1m∠(α−zi)=(2h+1)π.\boxed{\sum_{i=1}^n\angle(\alpha-p_i)-\sum_{i=1}^m\angle(\alpha-z_i)=(2h+1)\pi.}

Le regole

1. Numero di rami e punti di partenza. Per K→0+K\to0^+ le radici di d+Knd+Kn tendono alle radici di dd: gli nn rami partono dagli nn poli di GG (un polo di molteplicità μ\mu è punto di partenza di μ\mu rami).

2. Punti di arrivo. Per K→+∞K\to+\infty mm rami tendono agli mm zeri di GG (infatti dK+n=0\frac{d}K+n=0 tende a n=0n=0), gli altri n−mn-m vanno all'infinito (zeri "impropri" di GG).

3. Simmetria. Poiché i coefficienti di d+Knd+Kn 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 α\alpha (che non sia polo o zero) appartiene a L+\mathcal L_+ se e solo se il numero di poli e zeri **reali** di G (contati con molteplicitaˋ) a destra di α eˋ **dispari**.\text{il numero di poli e zeri **reali** di }G\text{ (contati con molteplicità) a destra di }\alpha\text{ è **dispari**}. Dimostrazione. Nella condizione di fase, le coppie coniugate di poli e di zeri complessi β,βˉ\beta,\bar\beta danno contributi ∠(α−β)+∠(α−βˉ)=0\angle(\alpha-\beta)+\angle(\alpha-\bar\beta)=0 (opposti). I poli e zeri reali γ\gamma danno ∠(α−γ)=0\angle(\alpha-\gamma)=0 se γ<α\gamma<\alpha (a sinistra: α−γ>0\alpha-\gamma>0) e =π=\pi se γ>α\gamma>\alpha (a destra). La somma vale quindi π (#poli reali a destra−#zeri reali a destra)\pi\,(\#\text{poli reali a destra}-\#\text{zeri reali a destra}), che modulo 2π2\pi coincide con π (#poli+#zeri reali a destra)\pi\,(\#\text{poli}+\#\text{zeri reali a destra}) (perché −π≡π-\pi\equiv\pi modulo 2π2\pi): è un multiplo dispari di π\pi se e solo se il numero totale di radici reali a destra è dispari. □\square

5. Asintoti. I rami che vanno all'infinito si dispongono lungo n−mn-m semirette uscenti da un punto dell'asse reale, il centro (o baricentro) xBx_B, con direzioni θi=(2i+1)πn−m,i=0,…,n−m−1,xB=∑i=1npi−∑i=1mzin−m.\theta_i=\frac{(2i+1)\pi}{n-m},\quad i=0,\dots,n-m-1,\qquad x_B=\frac{\sum_{i=1}^np_i-\sum_{i=1}^mz_i}{n-m}. Perché le direzioni: per ∣s∣|s| grande G≈s−(n−m)G\approx s^{-(n-m)}, e 1+KG=01+KG=0 dà sn−m≈−Ks^{n-m}\approx-K, cioè s=K1n−mej(2i+1)πn−ms=K^{\frac1{n-m}}e^{j\frac{(2i+1)\pi}{n-m}}. Perché il centro: per n−m≥2n-m\ge2 la somma delle nn radici di d+Knd+Kn è −an−1-a_{n-1}, indipendente da KK (il coefficiente di sn−1s^{n-1} non contiene KK), cioè ∑pi\sum p_i. Per KK grande mm radici stanno vicino agli zeri e le n−mn-m restanti lungo gli asintoti, la cui somma è quindi ∑pi−∑zi\sum p_i-\sum z_i: il baricentro è xBx_B. Se n−m=1n-m=1 c'è un solo asintoto, l'asse reale.

6. Guadagno in un punto. Se α∈L+\alpha\in\mathcal L_+, il guadagno che porta una radice in α\alpha è K(α)=−d(α)n(α)>0.K(\alpha)=-\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}>0. Sull'asse reale la funzione K(x)=−d(x)n(x)K(x)=-\frac{d(x)}{n(x)} è reale: i tratti dell'asse in cui K(x)>0K(x)>0 sono esattamente quelli del luogo positivo (verifica della regola 4), e gli estremi locali di K(x)K(x) 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: G(s)=1s(s+1)(s+2)G(s)=\dfrac1{s(s+1)(s+2)}

Qui n=3n=3, m=0m=0, poli 0,−1,−20,-1,-2, nessuno zero.

  • Rami: tre, partono da 0,−1,−20,-1,-2 e vanno tutti all'infinito (n−m=3n-m=3).
  • Asse reale (positivo): a destra di α∈(−1,0)\alpha\in(-1,0) c'è un polo (00): dispari ✓; α∈(−2,−1)\alpha\in(-2,-1): due poli (0,−10,-1): pari ✗; α<−2\alpha<-2: tre poli: dispari ✓. Il luogo contiene (−1,0)(-1,0) e (−∞,−2)(-\infty,-2).
  • Asintoti: direzioni π3,π,5π3\frac\pi3,\pi,\frac{5\pi}3, centro xB=0−1−23=−1x_B=\frac{0-1-2}3=-1.
  • Conseguenze: i rami da 00 e da −1-1 si incontrano nel segmento (−1,0)(-1,0) (punto doppio in −0,4226-0{,}4226, con K=0,385K=0{,}385) e poi lasciano l'asse reale verso gli asintoti a ±π3\pm\frac\pi3, che puntano nel semipiano destro: devono quindi attraversare l'asse immaginario, in ±j2\pm j\sqrt2 per K=6K=6. Il ramo da −2-2 scende lungo l'asse reale verso −∞-\infty. Dunque WKW_K è BIBO stabile per 0<K<60<K<6 (verificato con Routh: s3+3s2+2s+Ks^3+3s^2+2s+K è di Hurwitz   ⟺  0<K<6\iff0<K<6).

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 K(x)=−x(x+1)(x+2)K(x)=-x(x+1)(x+2) 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

G(s)=s+3s(s+1)(s+2)G(s)=\dfrac{s+3}{s(s+1)(s+2)}: n=3n=3, m=1m=1, zero in −3-3. Asintoti: n−m=2n-m=2, direzioni ±π2\pm\frac\pi2, centro xB=0−1−2−(−3)2=0x_B=\frac{0-1-2-(-3)}2=0: gli asintoti coincidono con l'asse immaginario. Asse reale: (−1,0)(-1,0) (un polo a destra), (−3,−2)(-3,-2) (tre radici a destra: 0,−1,−20,-1,-2) ✓. Il ramo da −2-2 va a −3-3 (zero), gli altri due si incontrano in (−1,0)(-1,0) e vanno verso gli asintoti senza mai attraversare l'asse, perché d+Kn=s3+3s2+(2+K)s+3Kd+Kn=s^3+3s^2+(2+K)s+3K ha tabella di Routh con elementi (1, 3, 2, 3K)(1,\,3,\,2,\,3K), tutti positivi per ogni K>0K>0: stabile per ogni K>0K>0 (per K=100K=100 i poli sono −2,95-2{,}95 e −0,03±10,09j-0{,}03\pm10{,}09j: 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 22).
  • Sbagliare il centro degli asintoti (somma dei poli meno somma degli zeri, diviso n−mn-m) o le direzioni (positivo: (2i+1)πn−m\frac{(2i+1)\pi}{n-m}).
  • Pensare che il luogo "arrivi" dove vuole: ogni ramo parte da un polo e finisce in uno zero o all'infinito.
  • Usare GG non monica: se G=KEndG=K_E\frac nd, il KK del luogo è K⋅KEK\cdot K_E (e un KE<0K_E<0 scambia i luoghi).

Versione ripasso

Definizione

Appartenenza di un punto

  • Se α\alpha non è zero di nn: ∣d(α)n(α)∣=K\left|\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}\right|=K dà il valore di taratura, e la condizione di fase è ∑i∠(α−pi)−∑i∠(α−zi)=(2h+1)π\sum_i\angle(\alpha-p_i)-\sum_i\angle(\alpha-z_i)=(2h+1)\pi.

Regole di tracciamento

  1. Rami: nn rami partono dai poli (per K→0+K\to0^+); un polo di molteplicità μ\mu è punto di partenza di μ\mu rami.
  2. Arrivi: per K→∞K\to\infty mm rami tendono agli zeri, gli altri n−mn-m vanno all'infinito.
  3. Simmetria: i coefficienti sono reali, quindi il luogo è simmetrico rispetto all'asse reale.
  4. Asse reale: un punto reale α\alpha (non polo né zero) appartiene a L+\mathcal L_+ se il numero di poli e zeri reali a destra di α\alpha, contati con molteplicità, è dispari.
    • Prova: le coppie complesse coniugate danno contributi opposti alla fase; ogni polo o zero reale a destra dà π\pi, a sinistra 00. La somma è un multiplo dispari di π\pi se e solo se il numero di radici reali a destra è dispari.
  5. Asintoti: n−mn-m semirette con direzioni θi=(2i+1)πn−m\theta_i=\frac{(2i+1)\pi}{n-m}, i=0,…,n−m−1i=0,\dots,n-m-1, uscenti dal centro xB=∑ipi−∑izin−mx_B=\frac{\sum_ip_i-\sum_iz_i}{n-m}.
    • Direzioni: per ∣s∣|s| grande G≈s−(n−m)G\approx s^{-(n-m)} e 1+KG=01+KG=0 dà sn−m≈−Ks^{n-m}\approx-K.
    • Centro: per n−m≥2n-m\ge2 la somma delle radici di d+Knd+Kn è −an−1-a_{n-1}, indipendente da KK; per KK grande la somma delle n−mn-m radici lontane è ∑pi−∑zi\sum p_i-\sum z_i.
    • Con n−m=1n-m=1 c'è un solo asintoto, l'asse reale.
  6. Guadagno in un punto: se α∈L+\alpha\in\mathcal L_+, K(α)=−d(α)n(α)>0K(\alpha)=-\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}>0. Sull'asse reale K(x)K(x) 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: G(s)=1s(s+1)(s+2)G(s)=\dfrac1{s(s+1)(s+2)}

  • n=3n=3, m=0m=0, poli 0,−1,−20,-1,-2, nessuno zero.
  • Asse reale: α∈(−1,0)\alpha\in(-1,0) ha un polo a destra (dispari, nel luogo); α∈(−2,−1)\alpha\in(-2,-1) ne ha due (pari, fuori); α<−2\alpha<-2 ne ha tre (nel luogo). Il luogo contiene (−1,0)(-1,0) e (−∞,−2)(-\infty,-2).
  • Asintoti: direzioni π3,π,5π3\frac\pi3,\pi,\frac{5\pi}3, centro xB=0−1−23=−1x_B=\frac{0-1-2}3=-1.
  • I rami da 00 e −1-1 si incontrano in un punto doppio −0,4226-0{,}4226 con K=0,385K=0{,}385, poi lasciano l'asse verso gli asintoti a ±π3\pm\frac\pi3 e attraversano l'asse immaginario in ±j2\pm j\sqrt2 per K=6K=6.
  • Il ramo da −2-2 va verso −∞-\infty lungo l'asse reale.
  • Conclusione: WKW_K è BIBO stabile per 0<K<60<K<6, in accordo con Routh su s3+3s2+2s+Ks^3+3s^2+2s+K.
  • Verifica sull'asse reale: K(x)=−x(x+1)(x+2)K(x)=-x(x+1)(x+2) è positiva per x∈(−1,0)x\in(-1,0) (per esempio K(−0,5)=0,375K(-0{,}5)=0{,}375) e per x<−2x<-2 (per esempio K(−3)=6K(-3)=6), negativa in (−2,−1)(-2,-1) (per esempio K(−1,5)=−0,375K(-1{,}5)=-0{,}375): i tratti positivi coincidono con il luogo.

Esempio 2: G(s)=s+3s(s+1)(s+2)G(s)=\dfrac{s+3}{s(s+1)(s+2)}

  • n=3n=3, m=1m=1, zero in −3-3. Asintoti: n−m=2n-m=2, direzioni ±π2\pm\frac\pi2, centro xB=0−1−2+32=0x_B=\frac{0-1-2+3}2=0: gli asintoti coincidono con l'asse immaginario.
  • Asse reale: (−1,0)(-1,0) e (−3,−2)(-3,-2). Il ramo da −2-2 va verso lo zero −3-3; gli altri due si incontrano in (−1,0)(-1,0) e vanno verso gli asintoti senza attraversare l'asse.
  • Routh su s3+3s2+(2+K)s+3Ks^3+3s^2+(2+K)s+3K: elementi 1, 3, 2, 3K1,\,3,\,2,\,3K tutti positivi per K>0K>0, quindi stabile per ogni K>0K>0. Per K=100K=100 i poli sono −2,95-2{,}95 e −0,03±10,09j-0{,}03\pm10{,}09j.

Ordine di tracciamento

  1. Riportare poli e zeri nel piano, con le molteplicità.
  2. Colorare l'asse reale a tratti (regola 4).
  3. Tracciare gli asintoti (regola 5) con il centro.
  4. Cercare i punti doppi come estremi di K(x)K(x) e le intersezioni con l'asse immaginario (con Routh o con d(jω)+Kn(jω)=0d(j\omega)+Kn(j\omega)=0).
  5. Chiudere i rami con le direzioni di partenza e di arrivo.

Come si legge il luogo

  • Il luogo dà i poli di WKW_K per ogni K>0K>0: il sistema è BIBO stabile per i valori di KK per cui tutti i rami stanno in Re<0\mathrm{Re}<0.
  • Un ramo che attraversa l'asse immaginario indica il valore critico di KK; in quel punto WKW_K 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 KK in un punto si usa K(α)=−d(α)n(α)K(\alpha)=-\frac{d(\alpha)}{n(\alpha)}, 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 22.
  • Sbagliare il centro degli asintoti (somma dei poli meno somma degli zeri, diviso n−mn-m) o le direzioni.
  • Usare GG non monica: con G=KEndG=K_E\frac nd il guadagno del luogo è K⋅KEK\cdot K_E.
  • 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

Teoria collegata