Luogo delle radici - stabilità BIBO al variare di K
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La domanda tipica d'esame è: tracciare il luogo delle radici positivo e negativo di e dedurre per quali il sistema retroazionato è BIBO stabile. Questa nota organizza il metodo, con un esempio completo; i casi più complessi sono negli esercizi (Esercizio 12 · luogo delle radici con zeri e poli doppi (temi d'esame luglio 2025 e gennaio 2023) e seguenti).
Che cosa dice il luogo sulla stabilità
I poli di sono le radici di (Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamentoPer $G=\frac{n(s)}{d(s)}$ (monici, coprimi, $n=\deg d\ge m=\deg n$) e $W_K=\frac{KG}{1+KG}$, il luogo positivo è l'insieme dei $s$ con $d(s)+Kn(s)=0$ per qualche $K>0$ (i poli di $W_K$ al variare di $K$). Regole: $n$ rami simmetrici rispetto all'asse reale, partono dai poli ($K=0$) e finiscono negli $m$ zeri o negli $n-m$ asintoti; un punto reale è nel luogo positivo se alla sua destra ci sono un numero dispari di poli+zeri reali (con molteplicità); asintoti con direzioni $\frac{(2i+1)\pi}{n-m}$ e centro $x_B=\frac{\sum p_i-\sum z_i}{n-m}$; il guadagno in un punto è $K=-\frac{d(s)}{n(s)}$.Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento →). Per ogni la posizione dei poli è l'insieme dei punti del luogo "etichettati" con quel valore di . è BIBO stabile se e solo se tutti i poli sono in (e propria, cioè come si assume). Il numero di poli in è costante finché nessun ramo attraversa l'asse immaginario e cambia solo in corrispondenza degli attraversamenti: per critico (attraversamento) ha poli immaginari e non è BIBO stabile. Quindi gli intervalli di stabilità sono limitati dai critici e dai valori in cui un ramo parte dal semipiano destro.
Il metodo
- Dati: , ; poli e zeri con molteplicità; (numero di asintoti); eventuale guadagno di Evans.
- Luogo positivo: (a) tratti dell'asse reale (numero dispari a destra); (b) asintoti (direzioni, centro); (c) punti doppi (equazione, poi ); (d) intersezioni con l'asse immaginario con il valore di .
- Luogo negativo: gli stessi punti con numero pari a destra, asintoti ruotati, punti doppi e intersezioni con (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 →).
- Rami: per ogni ramo dire da dove parte (un polo) e dove arriva (uno zero, o un asintoto); il ramo incontra altri rami nei punti doppi.
- Stabilità: per ciascun luogo e ciascun intervallo di contare i rami in . Un polo di instabile fa partire un ramo dal semipiano destro; ogni attraversamento verso sinistra ne toglie uno (o due, per una coppia complessa), verso destra ne aggiunge.
- Verifica con Routh. La tabella di (Criterio di Routh-HurwitzIl criterio di Routh stabilisce se un polinomio $P(s)=p_ns^n+\dots+p_0$ è di Hurwitz senza calcolarne le radici. Si costruisce la tabella (righe $n,n-1,\dots,0$) con $\text{nuovo}=\frac{\text{pivot}\cdot a-\text{prec.}\cdot b}{\text{pivot}}$; se la tabella va a compimento, il numero di variazioni di segno nella prima colonna è il numero di radici con $\mathrm{Re}>0$, le permanenze il numero con $\mathrm{Re}<0$. Elemento nullo in prima colonna: $P$ non è Hurwitz; riga nulla: radici simmetriche (spesso immaginarie) date dal polinomio ausiliario. Con parametro $K$ nei coefficienti dà gli intervalli di stabilità.Criterio di Routh-Hurwitz →) fornisce gli intervalli di e il numero di radici instabili: deve coincidere con il luogo (spesso il compito chiede entrambi).
Esempio completo:
, , poli (instabile) e , nessuno zero, .
Luogo positivo. Asse reale: ha un polo () a destra: dispari ✓; e no. Asintoti: , direzioni , centro . Punto doppio: , con ✓. Intersezione con l'asse immaginario: : parte immaginaria , parte reale . I due rami partono da (in ) e da , si muovono uno verso l'altro sull'asse reale: il ramo da attraversa l'origine per , e i due rami si incontrano in per per poi salire e scendere lungo la verticale (asintoti). Il ramo da è in per e in per . Quindi per : instabile (un polo in ) per ; per polo nell'origine (non BIBO stabile); stabile per .
Luogo negativo. Asse reale: (zero radici a destra) e (due a destra): pari ✓. Il ramo da va a sul semiasse , quello da va a : con ha termine noto negativo, quindi radice reale positiva (prodotto delle radici ). Per non c'è mai stabilità, con esattamente un polo in .
Risposta. è BIBO stabile . Controllo con Routh: è di Hurwitz ✓. Verificato con i poli: : e (un polo instabile); : e ; : doppio; : ; : e .
Grafico interattivo: Luoghi di G = 1/((s−1)(s+2)): per K > 0 i due rami si incontrano nel punto doppio −1/2 (K = 2,25) e salgono lungo l'asintoto Re s = −1/2; il ramo da 1 passa per l'origine con K = 2 (stabilità per K > 2). Per K < 0 il ramo da 1 va a +∞: sempre un polo instabile. Luogo positivo in blu, luogo negativo in arancio. Poli: punti pieni; zeri: cerchietti; asintoti: tratteggiati.
Un secondo esempio: zeri e poli doppi
(tema d'esame luglio 2025). Tutti i punti dell'asse reale stanno nel luogo negativo (a destra di ogni punto reale ci sono sempre un numero pari di radici contando le molteplicità) e nessuno nel positivo, tranne i punti di partenza/arrivo. Nel luogo positivo i quattro rami partono dai poli doppi , due vanno agli zeri e due a lungo gli asintoti verticali di centro , sempre in : stabile per ogni . Nel luogo negativo ci sono i punti doppi (con , cioè in e in ) e intersezioni con l'asse immaginario per () e per (). Una coppia di rami attraversa l'asse in per ed entra in (due poli instabili per ); i due rami si incontrano sul semiasse reale positivo nel punto doppio () e si separano: uno ritorna nell'origine per e rientra in verso lo zero , l'altro va a (asintoto di direzione ) e lascia un polo instabile per . Risultato: BIBO stabile . (Numerico: stabile con poli ; poli ; due poli instabili ; un polo instabile .)
Casi critici
Per i in cui un ramo attraversa l'asse immaginario ha poli immaginari, quindi non è BIBO stabile: in un compito si riporta la regione stabile come intervallo aperto (es. , non ) e i valori critici a parte. Se un punto doppio cade proprio sull'asse immaginario occorre studiare i rami separatamente. Se la funzione è identicamente nulla e si esclude.
Errori comuni
- Dedurre la stabilità dal solo luogo positivo e dimenticare il negativo (la domanda è su tutti i ).
- Contare i poli instabili solo dalla posizione di partenza: si deve seguire il ramo fino al valore di considerato.
- Includere i critici tra quelli di stabilità (con poli sull'asse non c'è BIBO).
- Non verificare con Routh quando è richiesto: i due risultati devono coincidere (se non coincidono c'è un errore di conto).
- Per un polo instabile di , concludere che il sistema non è stabilizzabile con : dipende dal luogo (qui lo è per ).
Versione ripasso
Che cosa dice il luogo sulla stabilità
- I poli di sono le radici di (Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamentoPer $G=\frac{n(s)}{d(s)}$ (monici, coprimi, $n=\deg d\ge m=\deg n$) e $W_K=\frac{KG}{1+KG}$, il luogo positivo è l'insieme dei $s$ con $d(s)+Kn(s)=0$ per qualche $K>0$ (i poli di $W_K$ al variare di $K$). Regole: $n$ rami simmetrici rispetto all'asse reale, partono dai poli ($K=0$) e finiscono negli $m$ zeri o negli $n-m$ asintoti; un punto reale è nel luogo positivo se alla sua destra ci sono un numero dispari di poli+zeri reali (con molteplicità); asintoti con direzioni $\frac{(2i+1)\pi}{n-m}$ e centro $x_B=\frac{\sum p_i-\sum z_i}{n-m}$; il guadagno in un punto è $K=-\frac{d(s)}{n(s)}$.Luogo delle radici - definizione e regole di tracciamento →).
- è BIBO stabile se e solo se tutti i poli sono in (con propria, cioè ).
- Il numero di poli in resta costante finché nessun ramo attraversa l'asse immaginario, e cambia solo agli attraversamenti.
- Per un critico, cioè di attraversamento, ha poli immaginari e non è BIBO stabile. Gli intervalli di stabilità sono quindi limitati dai critici e dai valori in cui un ramo parte dal semipiano destro.
Il metodo
- Dati: , , poli e zeri con molteplicità, numero di asintoti , eventuale guadagno di Evans.
- Luogo positivo: tratti dell'asse reale con numero dispari di radici a destra; asintoti (direzioni e centro); punti doppi con ; intersezioni con l'asse immaginario con .
- Luogo negativo: gli stessi elementi con numero pari a destra, asintoti ruotati, punti doppi e intersezioni con (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 →).
- Rami: per ciascuno si dice da dove parte (un polo) e dove arriva (uno zero o un asintoto). I rami si incontrano nei punti doppi.
- Stabilità: per ogni luogo e per ogni intervallo di si contano i rami in . Un polo di instabile fa partire un ramo dal semipiano destro; ogni attraversamento verso sinistra ne toglie uno (o due, per una coppia complessa), verso destra ne aggiunge.
- Verifica con Routh: la tabella di (Criterio di Routh-HurwitzIl criterio di Routh stabilisce se un polinomio $P(s)=p_ns^n+\dots+p_0$ è di Hurwitz senza calcolarne le radici. Si costruisce la tabella (righe $n,n-1,\dots,0$) con $\text{nuovo}=\frac{\text{pivot}\cdot a-\text{prec.}\cdot b}{\text{pivot}}$; se la tabella va a compimento, il numero di variazioni di segno nella prima colonna è il numero di radici con $\mathrm{Re}>0$, le permanenze il numero con $\mathrm{Re}<0$. Elemento nullo in prima colonna: $P$ non è Hurwitz; riga nulla: radici simmetriche (spesso immaginarie) date dal polinomio ausiliario. Con parametro $K$ nei coefficienti dà gli intervalli di stabilità.Criterio di Routh-Hurwitz →) dà gli intervalli di e il numero di radici instabili, che deve coincidere con il luogo.
Esempio completo:
- , , poli (instabile) e , nessuno zero; .
- Luogo positivo. Asse reale: ha un polo a destra (dispari, nel luogo); e no.
- Asintoti: , direzioni , centro .
- Punto doppio: dà , con .
- Intersezione con l'asse immaginario: ; la parte immaginaria dà , la parte reale dà .
- Il ramo da attraversa l'origine per . Il ramo è in per e in per . I due rami da e da si incontrano in per e poi salgono e scendono lungo la verticale .
- Per un polo è instabile; per c'è un polo nell'origine; per il sistema è stabile.
- Luogo negativo. Asse reale: e hanno un numero pari di radici a destra, quindi sono nel luogo. Per il termine noto è negativo, quindi c'è sempre una radice reale positiva: non c'è mai stabilità, con esattamente un polo in .
- Risposta: è BIBO stabile .
- Controllo con Routh: è di Hurwitz .
- Controllo con i poli: dà e ; dà e ; dà doppio; dà ; dà e .
Esempio: zeri e poli doppi
- (tema d'esame luglio 2025).
- Tutti i punti reali stanno nel luogo negativo, perché a destra di ogni punto reale c'è un numero pari di radici; nel luogo positivo solo i punti di partenza e di arrivo.
- Luogo positivo: i quattro rami partono dai poli doppi ; due vanno agli zeri , due a lungo asintoti di centro . Restano sempre in : stabile per ogni .
- Luogo negativo: punti doppi , con , cioè in e in .
- Intersezioni con l'asse immaginario per () e per ().
- Una coppia di rami attraversa l'asse in per ed entra in : per ci sono due poli instabili.
- Per resta un polo instabile, sul ramo che va a .
- Risultato: BIBO stabile .
- Controllo numerico: dà poli ; dà poli ; dà due poli instabili ; dà un polo instabile .
Casi critici
- Per i in cui un ramo attraversa l'asse immaginario ha poli immaginari: non è BIBO stabile. Nel compito la regione stabile si scrive come intervallo aperto (per esempio , non ), con i valori critici a parte.
- Se un punto doppio cade sull'asse immaginario occorre studiare i rami separatamente.
- Per la funzione è nulla e si esclude.
Errori tipici
- Dedurre la stabilità dal solo luogo positivo, dimenticando il negativo: la domanda riguarda tutti i reali.
- Contare i poli instabili dalla sola posizione di partenza: va seguito il ramo fino al considerato.
- Includere i critici tra quelli di stabilità: con poli sull'asse non c'è BIBO.
- Non verificare con Routh quando è richiesto: i due risultati devono coincidere.
- Concludere che un polo instabile di non è stabilizzabile con : dipende dal luogo (nell'esempio lo è per ).
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)