Post on 27-Feb-2021
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Controllo digitale
Ing. Alessandro Pisanoapisano@unica.it
Mapping fra il piano s ed il piano z
2
Introduzione
Abbiamo visto come, qualora si applichi un processo di campionamento impulsivo, le variabili complesse s e z delle rispettive trasformate di Laplace e Z risultino legate dalla relazione:
๐ง = ๐๐ ๐๐
Poichรฉ รจ ben noto come si possa caratterizzare il comportamento di un sistema di controllo a tempo continuo analizzandone le posizioni dei poli e degli zeri nel piano s, ci si aspetta che uno studio analogo possa essere condotto nel piano z per i sistemi di controllo digitali
Appare rilevante, quindi, analizzare come vengano ยซmappateยป nel piano z, per effetto della relazione ๐ง = ๐๐ ๐๐, le regioni del piano s a cui si รจ soliti associare determinati comportamenti dinamici di un sistema (ad es., la sovraelongazione che non ecceda una determinata soglia percentuale)
Questo รจ lโobiettivo primario che ci poniamo in questa lezione. Tali conclusioni saranno particolarmente utili in svariati approcci alla sintesi dei sistemi di controllo digitale.
La trasformazione ๐ง = ๐๐ ๐๐ รจ detta trasformazione di campionamento, e gioca un ruolo essenziale nei sistemi di controllo digitale.
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Analizziamo piรน nel dettaglio la trasformazione di campionamento.
๐ง = ๐๐ ๐๐
๐โ ๐ =
๐=0
โ
๐ฅ(๐๐๐)๐โ๐๐๐๐
๐ฅโ ๐ก =
๐=0
โ
๐ฅ(๐๐๐)๐ฟ(๐ก โ ๐๐๐) Campionamento impulsivo
๐ ๐ง =
๐=0
โ
๐ฅ(๐๐๐)๐งโ๐ Trasformata Z della sequenza campionata
Trasformata di Laplace del segnale campionato impulsivamente
๐โ ๐ = แ๐ ๐ง๐ง=๐๐ ๐๐
๐โ ๐ =1
๐๐
๐=โโ
โ
๐(๐ โ ๐๐๐๐)Avevamo anche ricavato che
Come sono correlati i poli di ๐โ ๐ con i poli di ๐ ๐ ?
4
๐โ ๐ =1
๐๐
1
๐ + 2+
1
๐ + 2 โ ๐๐๐+
1
๐ + 2 + ๐๐๐+
1
๐ + 2 โ 2๐๐๐+
1
๐ + 2 + 2๐๐๐+โฏ .
๐ ๐ =1
๐ + 2๐โ ๐ =
1
๐๐
๐=โโ
โ
๐(๐ โ ๐๐๐๐)
Facciamo un esempio:
La relazione ๐โ ๐ =1
๐๐ฯ๐=โโโ ๐(๐ โ ๐๐๐๐) ci dice che la TdL del segnale campionato
impulsivamente avrร infiniti poli ottenuti ยซtraslandoยป i poli di partenza parallelamente allโasse immaginario di ยฑ๐๐, ยฑ2๐๐ , ยฑ3๐๐ etc
x ๐ก = ๐โ2๐ก
Poli di ๐ฟโ ๐
โ2 + ๐๐๐
โ2 + 2๐๐๐
โ2 โ ๐๐๐
โ2 โ 2๐๐๐
Polo di ๐ฟ ๐
โ2
โ2
6
Ora invece ci chiediamo come sono correlati i poli di ๐ฟโ ๐ con i poli di ๐ฟ ๐
Ce lo rivela la relazione ๐โ ๐ = ศ๐ ๐ง ๐ง=๐๐ ๐๐
Il polo reale negativo ๐ = โ2 della ๐โ ๐ viene mappato nel polo ๐๐๐๐ = ๐โ2๐๐ della ๐ ๐ง
I poli della ๐ ๐ง corrispondono quindi ai poli della ๐โ ๐ ยซmappatiยป dalla trasformazione di campionamento. Sembrerebbe quindi che ๐ ๐ง debba avere infiniti poli.
Sviluppiamo i conti per analizzare questa apparente incongruenza.
Sappiamo perรฒ che , con riferimento allโesempio numerico che stiamo trattando, in cui
x ๐ก = ๐โ2๐ก, la sequenza ๐ฅ(๐) = ๐โ2๐๐๐ che si ottiene campionando il segnale a tempo continuo con periodo ๐๐ ha Z-trasformata
๐ ๐ง =๐ง
๐ง โ ๐โ2๐๐
7
ร ๐ ๐
๐ผ๐
ร
ร
ร
ร
โฎ
โฎ
Poli di ๐ฟโ ๐
โ2
Il polo reale negativo ๐ = โ2 della ๐โ ๐ viene mappato nel polo di X(z) ๐๐๐๐ = ๐โ2๐๐
โ2 + ๐๐๐
โ2 + 2๐๐๐
โ2 โ ๐๐๐
โ2 โ 2๐๐๐
ร๐โ2๐๐
Poli di ๐ฟ ๐
๐ ๐
๐ผ๐
8
Il polo complesso p = โ2 + ๐๐๐ della ๐โ ๐ viene mappato nel polo di X(z):
๐๐๐๐ = ๐(โ2+๐๐๐)๐๐ = ๐โ2๐๐ ๐๐๐๐๐๐ =๐โ2๐๐ ๐๐2๐ = ๐โ2๐๐
ร ๐ ๐
๐ผ๐
ร
ร
ร
ร
โฎ
โฎ
Poli di ๐ฟโ ๐
โ2ร
๐โ2๐๐
Poli di ๐ฟ ๐
โ2 + ๐๐๐
โ2 + 2๐๐๐
โ2 โ ๐๐๐
โ2 โ 2๐๐๐
๐ ๐
๐ผ๐
N.B. ๐๐ โ2๐
๐๐; ๐๐2๐= 1
9
ร ๐ ๐
๐ผ๐
ร
ร
ร
ร
โฎ
โฎ
Poli di ๐ฟโ ๐
โ2ร
๐โ2๐๐
Il polo complesso ๐ฉ = โ๐ + ๐๐๐๐ della ๐โ ๐ viene mappato nel polo
๐๐๐๐ = ๐(โ2+2๐๐๐)๐๐ = ๐โ2๐๐ ๐2๐๐๐๐๐ =๐โ2๐๐ ๐๐4๐ = ๐โ2๐๐
โ2 + ๐๐๐
โ2 + 2๐๐๐
โ2 โ ๐๐๐
โ2 โ 2๐๐๐
Poli di ๐ฟ ๐
๐ ๐
๐ผ๐
10
Tutti i poli della ๐โ ๐ che differiscono fra loro per ยฑ๐๐๐ , ยฑ2๐๐๐ , ยฑ3๐๐๐ vengono mappati nel medesimo punto del piano Z
Abbiamo in definitiva mostrato come la X(z) abbia poli determinabili a partire da quelli della X(s) mappati attraverso la trasformazione di campionamento ๐ง = ๐๐ ๐๐
ร ๐ ๐
๐ผ๐Poli di ๐ฟ ๐
๐1
ร
ร
๐2
๐3
Poli di ๐ฟ ๐
ร๐๐1๐๐
๐ ๐
๐ผ๐
ร
ร
๐๐2๐๐
๐๐3๐๐
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Posto genericamente ๐ = ๐ + ๐๐, si ha ๐ = ๐(๐+๐๐)๐๐ = ๐๐๐ป๐ ๐๐๐๐ป๐
Il modulo di ๐ง vale ศ๐งศ = ๐๐๐๐ ๐.๐ต. ๐๐๐๐๐ = 1
I punti del piano s a parte reale negativa (๐ < ๐) sono mappati nei puntidel piano z allโinterno del disco unitario
I punti del piano s collocati sullโasse immaginario, aventi cioรจ parte realenulla (๐ = ๐) hanno modulo unitario sono in corrispondenza con i puntidel piano z collocati sul perimetro del disco unitario
I punti del piano s a parte reale positiva (๐ > ๐) sono in corrispondenzacon i punti del piano z allโesterno del disco unitario
Lโorigine del piano s (๐ = ๐ = 0) viene mappata nel punto z = 1
Analizziamo piu a fondo la trasf. di campionamento
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Dalla formula di Eulero si deriva che
๐๐๐๐๐ = cos ๐๐๐ + ๐ sin ๐๐๐ = ๐๐(๐๐๐+2๐๐)= ๐๐๐๐ ๐+๐
2๐
๐๐ = ๐๐๐๐ ๐+๐๐๐ ๐ โ โค
Quindi, esistono infiniti punti del piano s che vengono mappati nel medesimo punto del piano Z.
Ora valutiamo se la trasformazione di campionamento รจ biunivoca o meno (in realtร abbiamo gia visto nellโesempio della funzione x ๐ก = ๐โ2๐ก che non lo รจ)
๐ง = ๐(๐+๐๐)๐๐ = ๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐ = ๐๐๐๐๐๐๐๐ ๐+๐๐๐ ๐ โ โค
Inserendo tale eguaglianza nella trasformazione di campionamento si ha
In particolare, due punti del piano s la cui parte immaginaria differisca per un multiplointero della pulsazione di campionamento ๐๐ vengono mappati dalla trasformazione dicampionamento nel medesimo punto del piano Z.
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ร
ร
๐๐2๐๐
๐๐3๐๐
ร๐๐1๐๐
๐ ๐
๐ผ๐
Due punti del piano s la cui parte immaginaria differisca per un multiplo intero dellapulsazione di campionamento ๐๐ vengono mappati dalla trasformazione di campionamentonel medesimo punto del piano Z.
ร ๐ ๐
๐ผ๐
๐1
ร
ร
๐2
๐3
ร๐4
๐๐
๐๐๐
2
โ๐๐๐
2
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La striscia del piano s delimitata dalle rette orizzontali s = ๐๐๐
2ed s = โ๐
๐๐
2
prende il nome di striscia primaria (o striscia principale)
๐ฐ๐
๐น๐Striscia primaria
Striscia complementare
Striscia complementare
๐3๐๐
2
๐๐๐
2
โ๐3 ๐๐
2
โ๐๐๐
2
๐๐
๐๐
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In ciascuna delle ยซstrisceยป definite nella slide precedente, se prese
singolarmente, la corrispondenza indotta dalla trasformazione di campionamento
รจ biunivoca. In particolare, la porzione della striscia (ad es. di quella primaria) che
giace nel semipiano sinistro รจ in corrispondenza biunivoca con il disco unitario del
piano Z
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Dettaglio della trasformazione (biunivoca) tra il perimetro della striscia primaria
(limitatamente alla sua porzione che giace nel semipiano sinistro) ed il piano z
๐๐๐
2
๐๐๐
4
โ๐๐๐
4
โ๐๐๐
2
๐ง = ๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐= ๐๐๐๐ ๐2๐๐
๐
๐๐
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๐ง = ๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐= ๐๐๐๐
๐
๐๐
๐๐๐
2
โ๐๐๐
2
Dettaglio della trasformazione tra il semiasse reale negativo ed il piano z
1 2 3 1 2 3
โโ
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Parametri fondamentali della risposta al gradino di un sistema a modo dominante
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Luoghi del piano z associati a comportamenti transitori assegnati
Tempo di assestamento inferiore ad una soglia prestabilita
๐ ๐ ๐ โค โ๐1 ศ๐งศ โค ๐โ๐1๐๐
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Luoghi del piano z associati a comportamenti transitori assegnati
Sovraelongazione percentuale inferiore ad una soglia prestabilita
ยซCardioideยป
(spirale logaritmica)
Viene riportata nel piano z la sola immagine della retta a smorzamento costante
che si trova nel secondo quadrante. La spirale logaritmica associata alla retta a
smorzamento costante collocata nel terzo quadrante (la retta in rosso) risulta
essere speculare rispetto allโasse reale del piano z
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Caratterizziamo analiticamente la cardioide
๐ง = ๐๐ ๐๐ = ๐โ๐๐๐๐๐ ๐โ๐๐๐ 1โ๐2๐๐ = ๐ง ๐๐๐
Fissando lo smorzamento ๐ ad un valore costante, efacendo variare ๐๐ (che corrisponde alla distanzadallโorigine nel piano s) fra zero e infinito si ha che lacardioide parte dal punto z=1 dellโasse reale. Il modulo๐ง decade verso lo zero, mentre la fase ๐ aumenta
indefinitamente, comportando in tal modo leยซrotazioniยป della cardioide
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Luoghi del piano z associati a comportamenti transitori assegnati
Sovraelongazione percentuale inferiore ad una soglia prestabilita
ยซCardioideยป
(spirale logaritmica)
Se ci limitiamo a considerare la sola porzione della retta a smorzamento costante
contenuta nella striscia primaria, la cardioide resta confinata nel semipiano
superiore. In altri termini, il punto etichettato con il pallino blu viene mappato nel
punto corrispondente del semiasse negativo del piano z
๐๐/2
striscia primaria
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Possiamo pertanto tracciare le seguenti curve, che mettono in corrispondenza luoghi
a smorzamento costante (nella striscia primaria del piano s) con le cardioidi
associate nel piano z
๐๐๐/2
โ๐๐๐/2
Cardioidi associate a particolari
valori dello smorzamento
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Un punto giacente, nel piano s, lungo una determinata retta a smorzamentocostante ฮพ = ฮพ1 ma fuori dalla striscia primaria (punto A nel piano s), sarร mappato,tramite la trasformazione di campionamento, in un punto del piano z (punto P) alquale รจ associato uno smorzamento differente da quello di partenza.Il periodo di campionamento deve sempre essere scelto in modo tale che talicorrispondenze fra poli in s e poli in z vengano valutate a partire dalla strisciaprimaria (la cui larghezza cresce al decrescere del periodo di campionamento)
๐๐๐/2
โ๐๐๐/2
๐
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Luoghi del piano z associati a comportamenti transitori assegnati
La pulsazione naturale di una coppia di poli complessi coniugati determina la
banda passante
Luoghi a pulsazione naturale ๐๐ costante (nella striscia primaria del piano s)
๐๐๐/2
โ๐๐๐/2
Tempo di salita inferiore ad una soglia prestabilita ๐๐ โ๐. ๐
๐๐
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๐๐ โ๐. ๐
๐๐
๐๐๐๐
๐
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Luoghi del piano z corrispondenti a valori di smorzamento ๐ e pulsazione naturale
๐๐ costanti
con pulsazione normalizzata
๐0 =๐๐
๐๐/2
๐0 = 0.6 ๐0 = 0.4
๐0 = 0.2
๐0 = 0.1
๐ = 0
๐0 = 0.8
0.1 0.2 0.4
๐ฐ๐
๐น๐
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๐๐๐/2
โ๐๐๐/2
Riassunto della corrispondenza fra i piani s e z
Notare che poli reali negativi in z sono in corrispondenza con una coppia di poli
complessi coniugati in s, collocati sui bordi superiore e inferiore della striscia primaria
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Alcune relazioni utili
Ad una coppia di poli complessi coniugati nel piano z aventi modulo r e fase ๐
๐ง1,2 = ๐๐๐๐
Corrisponde, nella striscia primaria del piano s, una coppia di poli
๐1,2 = โ๐๐๐ ยฑ ๐๐๐ 1 โ ๐2
aventi smorzamento ๐ e pulsazione naturale ๐๐ pari a
๐ = โln ๐
ln ๐ 2 + ๐2๐๐ = โ
1
๐๐ln ๐ 2 + ๐2
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Esercizi proposti
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๐จ
๐ฉ
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Iniziamo dal punto A, ipotizzando che coincida con
il punto โ0.5
๐ง = ๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐
La trasformazione di campionamento, valutata per
un generico punto ๐ = ๐ + ๐๐ del piano s, diventa
espressa dalla relazione:
La parte reale ๐ del corrispondente punto nel piano s determina il modulo del
punto nel piano z
|๐งศ = ๐๐ = 0.5
Il punto A ha fase ๐
๐๐ = 1๐
๐ง = ๐๐ ๐๐๐
๐ = ๐ฅ๐ง๐. ๐ = โ๐. ๐๐
๐ = ๐ ๐ = โ0.69 + ๐ ๐
La parte immaginaria ๐ ne determina invece la fase
|๐งศ = ๐๐ โ ๐ง = ๐
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Ricordiamo pero che i punti del piano s che vengono mappati in un punto assegnato
del piano z sono infiniti, e le loro parti immaginarie differiscono per multipli interi della
pulsazione di campionamento, che nel presente esempio vale
Il punto ๐ = โ0.69 + ๐ ๐ appartiene alla fascia primaria, e giace esattamente sul
bordo di essa.
๐ = โ๐. ๐๐ + ๐ (๐ + ๐๐๐)= โ๐. ๐๐ + ๐ (๐ ยฑ ๐๐๐ )
๐๐ =2๐
๐๐= 2๐
๐ = 0,ยฑ1,ยฑ2,โฆ .
Ricordiamo perรฒ che i punti del piano s che vengono mappati in un punto assegnato
del piano z sono infiniti, e le loro parti immaginarie differiscono per multipli interi della
pulsazione di campionamento
I punti del piano s che vengono mappati nel punto A sono pertanto i seguenti:
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Ipotizziamo che il punto B sia collocato in
๐ต = โ๐0.5 = 0.5๐โ๐๐
2
๐ง = ๐๐ ๐๐๐ |๐งศ = ๐๐ โ ๐ง = ๐
Il valore di ๐ resta invariato, in quanto abbiamo ipotizzato che i punti A e B
abbiamo entrambi modulo pari a 0.5
Il punto B ha fase โ๐
2๐ = โ
๐
2๐ = โ0.69 โ ๐
๐
2
๐ = โ0.69 โ ๐๐
2ยฑ 2๐๐ ๐ = 0,ยฑ1,ยฑ2,โฆ .
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Esempio
G ๐ =1
๐ (๐ +2)
Si consideri un sistema a tempo continuo descritto dalla funzione di trasferimento
ed il sistema di controllo digitale a retroazione unitaria con regolatore proporzionale
D/A G(s) A/D
๐ข(๐) ๐ข(๐ก) y(๐ก) ๐ฆ(๐)e(๐)๐(๐)
+โ
Ipotizzando un period0 di campionamento ๐๐ = 0.5 ๐ , progettare un controllore digitale avente il massimo guadagno possibile tale da soddisfare le seguenti specifiche
C(z)
S2 Risposta al gradino a ciclo chiuso caratterizzata da una sovraelongazionepercentuale non superiore al 10%
S1 Valore di regime dellโuscita per un set-point costante pari al valore del set-point
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u ๐ y ๐r ๐
โ+
๐ ๐0.09197๐ง + 0.066
๐ง2 โ 1.369๐ง + 0.3679
P ๐ง
clear all,clc
numG=1;
denG=[1 2 0];
G=tf(numG,denG);
Tc=0.5;
Gzoh=c2d(G,Tc)
Sistema equivalente
C(z)
Calcoliamo la FdT fra ๐ข ๐ e ๐ฆ ๐ utilizzando Matlab. Si noti come abbiamo giร sviluppato un esercizio ove abbiamo applicato ad un processo analogo la formula di discretizzazione
P ๐ง =๐งโ1
๐งZ โโ1
G(s)๐ ๐ก=๐๐๐
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I poli ๐1๐ง e ๐2
๐ง della P(z) sono determinabili a partire dai poli ๐1๐ e ๐2
๐ della G(s) (che valgono ๐1
๐ = 0 e ๐2๐ = โ2 ) secondo la formula
๐1๐ง = ๐๐๐๐1
๐ = 1
๐2๐ง = ๐๐๐๐2
๐ = ๐โ1 = 0.3679
u ๐ y ๐r ๐
โ+
๐ ๐0.09197(๐ง + 0.7176)
๐ง โ 1 ๐ง โ 0.3679
P ๐ง
Riscriviamo pertanto in forma differente la FdT P(z) del processo a tempo discreto da controllare
C(z)
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La prima specifica รจ soddisfatta se la FdT a ciclo chiuso ha guadagno unitario.
Verifichiamo se un controllore proporzionale C ๐ง = ๐ รจ in grado di garantirne il soddisfacimento
C ๐ง = ๐
๐๐๐ฆ๐ง =
๐ถ z ๐(z)
1 + ๐ถ ๐ง ๐(๐ง)=
๐0.09197(๐ง + 0.7176)๐ง โ 1 ๐ง โ 0.3679
1 + ๐0.09197(๐ง + 0.7176)๐ง โ 1 ๐ง โ 0.3679
=๐ โ 0.09197(๐ง + 0.7176)
๐ง โ 1 ๐ง โ 0.3679 + ๐ โ 0.09197(๐ง + 0.7176)
๐ ๐ง =0.09197(๐ง + 0.7176)
๐ง โ 1 ๐ง โ 0.3679
๐๐๐ฆ1 = 1 โ๐
La presenza nella FdT a ciclo aperto di un polo in ๐ง = 1 (sistema di controllo di tipo 1) poteva condurci al medesimo risultato senza alcun conto
Un regolatore proporzionale รจ pertanto ยซcompatibileยป con la specifica S1. Analizziamo mediante il luogo delle radici la posizione dei poli a ciclo chiuso al variare di ๐ per vedere se puรฒ essere soddisfatta anche la seconda specifica S2
Prima perรฒ chiediamoci: in quale regione del piano devono essere collocati i poli di
๐๐๐ฆ๐ง affinchรฉ sia soddisfatta la specifica S2 ?
40
Sovraelongazione percentuale vs. smorzamento
๐% โค 10 ๐ โฅ 0.6
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Si deve fare in modo che i poli del sistema a ciclo chiuso siano contenuti nella regione delimitata dalla cardioide associata al valore di smorzamento 0.6, evidenziata nella figura seguente (alla quale va aggiunta la regione speculare del semipiano inferiore)
42
clear all,clc
numG=1;
denG=[1 2 0];
G=tf(numG,denG);
Tc=0.5;
Gzoh=c2d(G,Tc)
rlocus(Gzoh)
zgrid(0.6,1)
Disco unitario
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Il massimo valore di k che mantiene i poli allโinterno della regione ammissibile รจ pari a poco piรน di ๐. ๐๐
44
Simuliamo il sistema di controllo utilizzando ๐ค = ๐. ๐๐ nelle due varianti seguenti
Es01_Mappingsz.slx
45
๐ = ๐. ๐๐
46
๐ = ๐