Mapping fra il piano s ed il piano z...Mapping fra il piano s ed il piano z 2 Introduzione Abbiamo...

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Controllo digitale

Ing. Alessandro Pisanoapisano@unica.it

Mapping fra il piano s ed il piano z

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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:

๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘

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 ๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘, 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 lโ€™obiettivo primario che ci poniamo in questa lezione. Tali conclusioni saranno particolarmente utili in svariati approcci alla sintesi dei sistemi di controllo digitale.

La trasformazione ๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘ รจ detta trasformazione di campionamento, e gioca un ruolo essenziale nei sistemi di controllo digitale.

3

Analizziamo piรน nel dettaglio la trasformazione di campionamento.

๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘

๐‘‹โˆ— ๐‘  =

๐‘˜=0

โˆž

๐‘ฅ(๐‘˜๐‘‡๐‘)๐‘’โˆ’๐‘˜๐‘‡๐‘๐‘ 

๐‘ฅโˆ— ๐‘ก =

๐‘˜=0

โˆž

๐‘ฅ(๐‘˜๐‘‡๐‘)๐›ฟ(๐‘ก โˆ’ ๐‘˜๐‘‡๐‘) Campionamento impulsivo

๐‘‹ ๐‘ง =

๐‘˜=0

โˆž

๐‘ฅ(๐‘˜๐‘‡๐‘)๐‘งโˆ’๐‘˜ Trasformata Z della sequenza campionata

Trasformata di Laplace del segnale campionato impulsivamente

๐‘‹โˆ— ๐‘  = แ‰š๐‘‹ ๐‘ง๐‘ง=๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘

๐‘‹โˆ— ๐‘  =1

๐‘‡๐‘

๐‘˜=โˆ’โˆž

โˆž

๐‘‹(๐‘  โˆ’ ๐‘—๐‘˜๐œ”๐‘)Avevamo anche ricavato che

Come sono correlati i poli di ๐‘‹โˆ— ๐‘  con i poli di ๐‘‹ ๐‘  ?

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๐‘‹โˆ— ๐‘  =1

๐‘‡๐‘

1

๐‘  + 2+

1

๐‘  + 2 โˆ’ ๐‘—๐œ”๐‘+

1

๐‘  + 2 + ๐‘—๐œ”๐‘+

1

๐‘  + 2 โˆ’ 2๐‘—๐œ”๐‘+

1

๐‘  + 2 + 2๐‘—๐œ”๐‘+โ‹ฏ .

๐‘‹ ๐‘  =1

๐‘  + 2๐‘‹โˆ— ๐‘  =

1

๐‘‡๐‘

๐‘˜=โˆ’โˆž

โˆž

๐‘‹(๐‘  โˆ’ ๐‘—๐‘˜๐œ”๐‘)

Facciamo un esempio:

La relazione ๐‘‹โˆ— ๐‘  =1

๐‘‡๐‘ฯƒ๐‘˜=โˆ’โˆžโˆž ๐‘‹(๐‘  โˆ’ ๐‘—๐‘˜๐œ”๐‘) ci dice che la TdL del segnale campionato

impulsivamente avrร  infiniti poli ottenuti ยซtraslandoยป i poli di partenza parallelamente allโ€™asse immaginario di ยฑ๐œ”๐‘, ยฑ2๐œ”๐‘ , ยฑ3๐œ”๐‘ etc

x ๐‘ก = ๐‘’โˆ’2๐‘ก

Poli di ๐‘ฟโˆ— ๐’”

โˆ’2 + ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 + 2๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ 2๐‘—๐œ”๐‘

Polo di ๐‘ฟ ๐’”

โˆ’2

โˆ’2

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Ora invece ci chiediamo come sono correlati i poli di ๐‘ฟโˆ— ๐’” con i poli di ๐‘ฟ ๐’›

Ce lo rivela la relazione ๐‘‹โˆ— ๐‘  = ศ๐‘‹ ๐‘ง ๐‘ง=๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘

Il polo reale negativo ๐‘ = โˆ’2 della ๐‘‹โˆ— ๐‘  viene mappato nel polo ๐‘’๐‘๐‘‡๐‘ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘ della ๐‘‹ ๐‘ง

I poli della ๐‘‹ ๐‘ง corrispondono quindi ai poli della ๐‘‹โˆ— ๐‘  ยซmappatiยป dalla trasformazione di campionamento. Sembrerebbe quindi che ๐‘‹ ๐‘ง debba avere infiniti poli.

Sviluppiamo i conti per analizzare questa apparente incongruenza.

Sappiamo perรฒ che , con riferimento allโ€™esempio numerico che stiamo trattando, in cui

x ๐‘ก = ๐‘’โˆ’2๐‘ก, la sequenza ๐‘ฅ(๐‘˜) = ๐‘’โˆ’2๐‘˜๐‘‡๐‘ che si ottiene campionando il segnale a tempo continuo con periodo ๐‘‡๐‘ ha Z-trasformata

๐‘‹ ๐‘ง =๐‘ง

๐‘ง โˆ’ ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

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ร— ๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

ร—

ร—

ร—

ร—

โ‹ฎ

โ‹ฎ

Poli di ๐‘ฟโˆ— ๐’”

โˆ’2

Il polo reale negativo ๐‘ = โˆ’2 della ๐‘‹โˆ— ๐‘  viene mappato nel polo di X(z) ๐‘’๐‘๐‘‡๐‘ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

โˆ’2 + ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 + 2๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ 2๐‘—๐œ”๐‘

ร—๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

Poli di ๐‘ฟ ๐’›

๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

8

Il polo complesso p = โˆ’2 + ๐‘—๐œ”๐‘ della ๐‘‹โˆ— ๐‘  viene mappato nel polo di X(z):

๐‘’๐‘๐‘‡๐‘ = ๐‘’(โˆ’2+๐‘—๐œ”๐‘)๐‘‡๐‘ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘๐‘‡๐‘ =๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—2๐œ‹ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

ร— ๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

ร—

ร—

ร—

ร—

โ‹ฎ

โ‹ฎ

Poli di ๐‘ฟโˆ— ๐’”

โˆ’2ร—

๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

Poli di ๐‘ฟ ๐’›

โˆ’2 + ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 + 2๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ 2๐‘—๐œ”๐‘

๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

N.B. ๐œ”๐‘ โ‰œ2๐œ‹

๐‘‡๐‘; ๐‘’๐‘—2๐œ‹= 1

9

ร— ๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

ร—

ร—

ร—

ร—

โ‹ฎ

โ‹ฎ

Poli di ๐‘ฟโˆ— ๐’”

โˆ’2ร—

๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

Il polo complesso ๐ฉ = โˆ’๐Ÿ + ๐Ÿ๐’‹๐Ž๐’„ della ๐‘‹โˆ— ๐‘  viene mappato nel polo

๐‘’๐‘๐‘‡๐‘ = ๐‘’(โˆ’2+2๐‘—๐œ”๐‘)๐‘‡๐‘ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘ ๐‘’2๐‘—๐œ”๐‘๐‘‡๐‘ =๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—4๐œ‹ = ๐‘’โˆ’2๐‘‡๐‘

โˆ’2 + ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 + 2๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ ๐‘—๐œ”๐‘

โˆ’2 โˆ’ 2๐‘—๐œ”๐‘

Poli di ๐‘ฟ ๐’›

๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

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Tutti i poli della ๐‘‹โˆ— ๐‘  che differiscono fra loro per ยฑ๐‘—๐œ”๐‘ , ยฑ2๐‘—๐œ”๐‘ , ยฑ3๐‘—๐œ”๐‘ 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 ๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘

ร— ๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘šPoli di ๐‘ฟ ๐’”

๐‘1

ร—

ร—

๐‘2

๐‘3

Poli di ๐‘ฟ ๐’›

ร—๐‘’๐‘1๐‘‡๐‘

๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

ร—

ร—

๐‘’๐‘2๐‘‡๐‘

๐‘’๐‘3๐‘‡๐‘

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Posto genericamente ๐‘  = ๐œŽ + ๐‘—๐œ”, si ha ๐’› = ๐‘’(๐œŽ+๐‘—๐œ”)๐‘‡๐‘ = ๐’†๐ˆ๐‘ป๐’„ ๐’†๐’‹๐Ž๐‘ป๐’„

Il modulo di ๐‘ง vale ศ๐‘งศ = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘.๐ต. ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘ = 1

I punti del piano s a parte reale negativa (๐ˆ < ๐ŸŽ) sono mappati nei puntidel piano z allโ€™interno del disco unitario

I punti del piano s collocati sullโ€™asse immaginario, aventi cioรจ parte realenulla (๐ˆ = ๐ŸŽ) 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ˆ > ๐ŸŽ) sono in corrispondenzacon i punti del piano z allโ€™esterno del disco unitario

Lโ€™origine del piano s (๐œŽ = ๐œ” = 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

๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘ = cos ๐œ”๐‘‡๐‘ + ๐‘— sin ๐œ”๐‘‡๐‘ = ๐‘’๐‘—(๐œ”๐‘‡๐‘+2๐‘˜๐œ‹)= ๐‘’๐‘—๐‘‡๐‘ ๐œ”+๐‘˜

2๐œ‹

๐‘‡๐‘ = ๐‘’๐‘—๐‘‡๐‘ ๐œ”+๐‘˜๐œ”๐‘ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค

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 nellโ€™esempio della funzione x ๐‘ก = ๐‘’โˆ’2๐‘ก che non lo รจ)

๐‘ง = ๐‘’(๐œŽ+๐‘—๐œ”)๐‘‡๐‘ = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘ = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘๐‘’๐‘—๐‘‡๐‘ ๐œ”+๐‘˜๐œ”๐‘ ๐‘˜ โˆˆ โ„ค

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 ๐Ž๐’„ vengono mappati dalla trasformazione dicampionamento nel medesimo punto del piano Z.

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ร—

ร—

๐‘’๐‘2๐‘‡๐‘

๐‘’๐‘3๐‘‡๐‘

ร—๐‘’๐‘1๐‘‡๐‘

๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

Due punti del piano s la cui parte immaginaria differisca per un multiplo intero dellapulsazione di campionamento ๐Ž๐’„ vengono mappati dalla trasformazione di campionamentonel medesimo punto del piano Z.

ร— ๐‘…๐‘’

๐ผ๐‘š

๐‘1

ร—

ร—

๐‘2

๐‘3

ร—๐‘4

๐œ”๐‘

๐‘—๐œ”๐‘

2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘

2

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La striscia del piano s delimitata dalle rette orizzontali s = ๐‘—๐œ”๐‘

2ed s = โˆ’๐‘—

๐œ”๐‘

2

prende il nome di striscia primaria (o striscia principale)

๐‘ฐ๐’Ž

๐‘น๐’†Striscia primaria

Striscia complementare

Striscia complementare

๐‘—3๐œ”๐‘

2

๐‘—๐œ”๐‘

2

โˆ’๐‘—3 ๐œ”๐‘

2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘

2

๐Ž๐’„

๐Ž๐’„

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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

๐‘—๐œ”๐‘

2

๐‘—๐œ”๐‘

4

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘

4

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘

2

๐‘ง = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘= ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘’2๐œ‹๐‘—

๐œ”

๐œ”๐‘

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๐‘ง = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘= ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘

๐œŽ

๐‘—๐œ”

๐‘—๐œ”๐‘

2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘

2

Dettaglio della trasformazione tra il semiasse reale negativo ed il piano z

1 2 3 1 2 3

โˆ’โˆž

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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‘  โ‰ค โˆ’๐œŽ1 ศ๐‘งศ โ‰ค ๐‘’โˆ’๐œŽ1๐‘‡๐‘

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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 allโ€™asse reale del piano z

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Caratterizziamo analiticamente la cardioide

๐‘ง = ๐‘’๐‘ ๐‘‡๐‘ = ๐‘’โˆ’๐œ‰๐œ”๐‘›๐‘‡๐‘ ๐‘’โˆ’๐‘—๐œ”๐‘› 1โˆ’๐œ‰2๐‘‡๐‘ = ๐‘ง ๐‘’๐‘—๐œƒ

Fissando lo smorzamento ๐œ‰ ad un valore costante, efacendo variare ๐œ”๐‘› (che corrisponde alla distanzadallโ€™origine nel piano s) fra zero e infinito si ha che lacardioide parte dal punto z=1 dellโ€™asse reale. Il modulo๐‘ง decade verso lo zero, mentre la fase ๐œƒ 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

๐œ”๐‘/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

๐‘—๐œ”๐‘/2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘/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)

๐‘—๐œ”๐‘/2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘/2

๐‘ƒ

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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 ๐œ”๐‘› costante (nella striscia primaria del piano s)

๐‘—๐œ”๐‘/2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘/2

Tempo di salita inferiore ad una soglia prestabilita ๐’•๐’“ โ‰ˆ๐Ÿ. ๐Ÿ–

๐Ž๐’

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๐’•๐’“ โ‰ˆ๐Ÿ. ๐Ÿ–

๐Ž๐’

๐’•๐’“๐Ž๐’

๐ƒ

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Luoghi del piano z corrispondenti a valori di smorzamento ๐œ‰ e pulsazione naturale

๐œ”๐‘› costanti

con pulsazione normalizzata

๐œ”0 =๐œ”๐‘›

๐œ”๐‘/2

๐œ”0 = 0.6 ๐œ”0 = 0.4

๐œ”0 = 0.2

๐œ”0 = 0.1

๐œ‰ = 0

๐œ”0 = 0.8

0.1 0.2 0.4

๐‘ฐ๐’Ž

๐‘น๐’†

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๐‘—๐œ”๐‘/2

โˆ’๐‘—๐œ”๐‘/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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30

Alcune relazioni utili

Ad una coppia di poli complessi coniugati nel piano z aventi modulo r e fase ๐œƒ

๐‘ง1,2 = ๐‘Ÿ๐‘’๐‘—๐œƒ

Corrisponde, nella striscia primaria del piano s, una coppia di poli

๐‘1,2 = โˆ’๐œ‰๐œ”๐‘› ยฑ ๐‘—๐œ”๐‘› 1 โˆ’ ๐œ‰2

aventi smorzamento ๐œ‰ e pulsazione naturale ๐œ”๐‘› pari a

๐œ‰ = โˆ’ln ๐‘Ÿ

ln ๐‘Ÿ 2 + ๐œƒ2๐œ”๐‘› = โˆ’

1

๐‘‡๐‘ln ๐‘Ÿ 2 + ๐œƒ2

31

Esercizi proposti

32

๐‘จ

๐‘ฉ

33

Iniziamo dal punto A, ipotizzando che coincida con

il punto โˆ’0.5

๐‘ง = ๐‘’๐œŽ๐‘‡๐‘ ๐‘’๐‘—๐œ”๐‘‡๐‘

La trasformazione di campionamento, valutata per

un generico punto ๐‘  = ๐œŽ + ๐‘—๐œ” del piano s, diventa

espressa dalla relazione:

La parte reale ๐œŽ del corrispondente punto nel piano s determina il modulo del

punto nel piano z

|๐‘งศ = ๐‘’๐œŽ = 0.5

Il punto A ha fase ๐œ‹

๐‘‡๐‘ = 1๐‘ 

๐‘ง = ๐‘’๐œŽ ๐‘’๐‘—๐œ”

๐ˆ = ๐ฅ๐ง๐ŸŽ. ๐Ÿ“ = โˆ’๐ŸŽ. ๐Ÿ”๐Ÿ—

๐Ž = ๐… ๐‘  = โˆ’0.69 + ๐‘— ๐œ‹

La parte immaginaria ๐œ” ne determina invece la fase

|๐‘งศ = ๐‘’๐œŽ โˆ ๐‘ง = ๐œ”

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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‘  = โˆ’0.69 + ๐‘— ๐œ‹ appartiene alla fascia primaria, e giace esattamente sul

bordo di essa.

๐’” = โˆ’๐ŸŽ. ๐Ÿ”๐Ÿ— + ๐’‹ (๐… + ๐’Œ๐Ž๐’„)= โˆ’๐ŸŽ. ๐Ÿ”๐Ÿ— + ๐’‹ (๐… ยฑ ๐Ÿ๐’Œ๐…)

๐œ”๐‘ =2๐œ‹

๐‘‡๐‘= 2๐œ‹

๐‘˜ = 0,ยฑ1,ยฑ2,โ€ฆ .

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

๐ต = โˆ’๐‘—0.5 = 0.5๐‘’โˆ’๐‘—๐…

2

๐‘ง = ๐‘’๐œŽ ๐‘’๐‘—๐œ” |๐‘งศ = ๐‘’๐œŽ โˆ ๐‘ง = ๐œ”

Il valore di ๐œŽ resta invariato, in quanto abbiamo ipotizzato che i punti A e B

abbiamo entrambi modulo pari a 0.5

Il punto B ha fase โˆ’๐œ‹

2๐œ” = โˆ’

๐œ‹

2๐‘  = โˆ’0.69 โˆ’ ๐‘—

๐œ‹

2

๐‘  = โˆ’0.69 โˆ’ ๐‘—๐œ‹

2ยฑ 2๐‘˜๐œ‹ ๐‘˜ = 0,ยฑ1,ยฑ2,โ€ฆ .

36

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

๐‘ข(๐‘˜) ๐‘ข(๐‘ก) y(๐‘ก) ๐‘ฆ(๐‘˜)e(๐‘˜)๐‘Ÿ(๐‘˜)

+โˆ’

Ipotizzando un period0 di campionamento ๐‘‡๐‘ = 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 dellโ€™uscita per un set-point costante pari al valore del set-point

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u ๐‘˜ y ๐‘˜r ๐‘˜

โˆ’+

๐‘’ ๐‘˜0.09197๐‘ง + 0.066

๐‘ง2 โˆ’ 1.369๐‘ง + 0.3679

P ๐‘ง

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 ๐‘ข ๐‘˜ e ๐‘ฆ ๐‘˜ utilizzando Matlab. Si noti come abbiamo giร  sviluppato un esercizio ove abbiamo applicato ad un processo analogo la formula di discretizzazione

P ๐‘ง =๐‘งโˆ’1

๐‘งZ โ„’โˆ’1

G(s)๐‘  ๐‘ก=๐‘˜๐‘‡๐‘

38

I poli ๐‘1๐‘ง e ๐‘2

๐‘ง della P(z) sono determinabili a partire dai poli ๐‘1๐‘  e ๐‘2

๐‘  della G(s) (che valgono ๐‘1

๐‘  = 0 e ๐‘2๐‘  = โˆ’2 ) secondo la formula

๐‘1๐‘ง = ๐‘’๐‘‡๐‘๐‘1

๐‘ = 1

๐‘2๐‘ง = ๐‘’๐‘‡๐‘๐‘2

๐‘ = ๐‘’โˆ’1 = 0.3679

u ๐‘˜ y ๐‘˜r ๐‘˜

โˆ’+

๐‘’ ๐‘˜0.09197(๐‘ง + 0.7176)

๐‘ง โˆ’ 1 ๐‘ง โˆ’ 0.3679

P ๐‘ง

Riscriviamo pertanto in forma differente la FdT P(z) del processo a tempo discreto da controllare

C(z)

39

La prima specifica รจ soddisfatta se la FdT a ciclo chiuso ha guadagno unitario.

Verifichiamo se un controllore proporzionale C ๐‘ง = ๐‘˜ รจ in grado di garantirne il soddisfacimento

C ๐‘ง = ๐‘˜

๐‘Š๐‘Ÿ๐‘ฆ๐‘ง =

๐ถ z ๐‘ƒ(z)

1 + ๐ถ ๐‘ง ๐‘ƒ(๐‘ง)=

๐‘˜0.09197(๐‘ง + 0.7176)๐‘ง โˆ’ 1 ๐‘ง โˆ’ 0.3679

1 + ๐‘˜0.09197(๐‘ง + 0.7176)๐‘ง โˆ’ 1 ๐‘ง โˆ’ 0.3679

=๐‘˜ โˆ™ 0.09197(๐‘ง + 0.7176)

๐‘ง โˆ’ 1 ๐‘ง โˆ’ 0.3679 + ๐‘˜ โˆ™ 0.09197(๐‘ง + 0.7176)

๐‘ƒ ๐‘ง =0.09197(๐‘ง + 0.7176)

๐‘ง โˆ’ 1 ๐‘ง โˆ’ 0.3679

๐‘Š๐‘Ÿ๐‘ฆ1 = 1 โˆ€๐‘˜

La presenza nella FdT a ciclo aperto di un polo in ๐‘ง = 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

๐‘Š๐‘Ÿ๐‘ฆ๐‘ง affinchรฉ sia soddisfatta la specifica S2 ?

40

Sovraelongazione percentuale vs. smorzamento

๐‘†% โ‰ค 10 ๐œ‰ โ‰ฅ 0.6

41

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

43

Il massimo valore di k che mantiene i poli allโ€™interno della regione ammissibile รจ pari a poco piรน di ๐Ÿ. ๐Ÿ”๐Ÿ–

44

Simuliamo il sistema di controllo utilizzando ๐ค = ๐Ÿ. ๐Ÿ”๐Ÿ“ nelle due varianti seguenti

Es01_Mappingsz.slx

45

๐’Œ = ๐Ÿ. ๐Ÿ”๐Ÿ“

46

๐’Œ = ๐Ÿ‘