Segnali canonici, tipo di un sistema ed errore di regime permanente
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Un sistema di controllo deve far sì che l'uscita segua un riferimento. Le prestazioni a regime si misurano sull'errore tra riferimento e uscita quando il transitorio è finito. Il riferimento tipico è uno dei segnali canonici.
I segnali canonici
Si indicano con Quindi: è il gradino unitario (), la rampa linearesegnale t per t≥0 (), la rampa parabolica (). Sono le primitive successive dell'impulso: si ottiene integrando .
L'errore di inseguimento
Dato un sistema con funzione di trasferimento e condizioni iniziali nulle, sia la sua risposta forzata a (ha trasformata ). L'obiettivo è con . Si definisce l'errore di inseguimento e l'errore di regime permanente quando il limite esiste. L'indice in alto è l'ordine del segnale ( gradino, rampa, parabola).
Il tipo di un sistema
Sia propria, BIBO stabile e con . Si dice che il sistema è di tipo () se Il numero è univocamente determinato e:
- per ogni segnale di ordine minore () l'errore di regime è nullo: ;
- per ogni segnale di ordine maggiore () l'errore di regime è infinito: .
Il tipo dice a quale "livello" di riferimento il sistema riesce a seguire l'ingresso con errore finito: tipo segue il gradino con un errore costante (la sola proporzione), tipo segue il gradino senza errore e la rampa con errore costante, ecc.
Caratterizzazione con le derivate di in zero
Teorema. Sia propria, BIBO stabile, .
- è di tipo , e allora .
- è di tipo , per , . In tal caso
Dimostrazione. Si pone e si applica il teorema del valore finale (Laplace per i modelli I-O - fratti semplici e risposta del sistemaPer calcolare l'uscita di un modello I/O con Laplace si scrive $Y(s)=\frac{b(s)U(s)+c(s)}{a(s)}$ (forzata + libera), si decompone in fratti semplici e si antitrasforma con la tabella dei modi: $\frac1{(s-\lambda)^{k+1}}\leftrightarrow\frac{t^k}{k!}e^{\lambda t}$, coppie complesse $\to e^{\sigma t}\cos/\sin\omega t$. I poli di $Y$ determinano i modi dell'uscita; il teorema del valore finale dà il limite a regime se $sY(s)$ ha poli solo in $\mathrm{Re}<0$.Laplace per i modelli I-O - fratti semplici e risposta del sistema →). La trasformata di è I poli di sono quelli di (tutti in ) e al più . Se non è un polo (la singolarità è eliminabile, cioè il limite sotto è finito) l'ipotesi forte del teorema è soddisfatta e se invece è un polo, contiene un termine che non tende a una costante e l'errore diverge (). Si sviluppa in serie in : .
- : il limite è , costante non nulla se e solo se . Questo è il tipo .
- : ha limite finito se e solo se e , e il limite è , diverso da zero se e solo se .
Le affermazioni sugli ordini minori e maggiori seguono dallo stesso calcolo: con al posto di , il numeratore va a zero più in fretta, il limite è infinito.
Esempi
Tipo 0. , : tipo , errore al gradino (l'uscita arriva a invece di ).
Tipo 1. : , . Tipo , : alla rampa l'uscita è e resta sotto l'ingresso di una costante (che è la costante di tempo). Verificato con la risposta alla rampa.
Tipo 2. (sviluppo in serie): , , . Tipo , : alla parabola l'errore tende a (verificato con il limite della risposta alla parabola).
Errori comuni
- Definire il tipo senza le ipotesi (BIBO stabile, propria, ): per un sistema instabile l'errore non ha limite.
- Confondere l'indice: è l'errore al gradino (tipo se non nullo), alla rampa.
- Dimenticare il fattore e il segno meno: .
- Dire che un sistema di tipo segue con errore nullo il segnale di ordine : lo segue con errore finito non nullo; l'errore nullo è per i segnali di ordine minore.
Versione ripasso
Segnali canonici
- , con trasformata : gradino per , rampa per , parabola per .
- Sono le primitive successive dell'impulso: si ottiene integrando .
Errore di inseguimento
- Con e condizioni iniziali nulle, è la risposta forzata a , di trasformata .
- Errore: ; errore di regime , se il limite esiste.
Tipo di un sistema
- Con propria, BIBO stabile e , il sistema è di tipo se è una costante finita non nulla.
- Per gli ordini minori l'errore è nullo; per gli ordini maggiori è infinito.
- Tipo 0 segue il gradino con errore costante; tipo 1 segue il gradino senza errore e la rampa con errore costante.
Teorema con le derivate di in zero
- Tipo 0 , e allora .
- Tipo , per e . In tal caso .
- Prova: si applica il valore finale a , cioè (Laplace per i modelli I-O - fratti semplici e risposta del sistemaPer calcolare l'uscita di un modello I/O con Laplace si scrive $Y(s)=\frac{b(s)U(s)+c(s)}{a(s)}$ (forzata + libera), si decompone in fratti semplici e si antitrasforma con la tabella dei modi: $\frac1{(s-\lambda)^{k+1}}\leftrightarrow\frac{t^k}{k!}e^{\lambda t}$, coppie complesse $\to e^{\sigma t}\cos/\sin\omega t$. I poli di $Y$ determinano i modi dell'uscita; il teorema del valore finale dà il limite a regime se $sY(s)$ ha poli solo in $\mathrm{Re}<0$.Laplace per i modelli I-O - fratti semplici e risposta del sistema →); poi si sviluppa .
- Se fosse un polo di l'errore diverge.
Esempi
- : , tipo 0, .
- : , , tipo 1, . Alla rampa l'uscita è .
- : , , tipo 2, .
Errori tipici
- Definire il tipo senza le ipotesi (BIBO stabile, propria, ).
- Confondere l'indice: è l'errore al gradino, alla rampa.
- Dimenticare il fattore e il segno meno.
- Dire che un sistema di tipo segue con errore nullo il segnale di ordine : lo segue con errore finito non nullo.