Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Automation
Robotics and System CONTROL
Corso di Laurea in Ingegneria
Meccatronica
RETI CORRETTRICI
CA – 10 - RetiCorrettrici
CA – 10 - RetiCorrettrici
Cesare Fantuzzi (cesare.fantuzzi@unimore.it)
Regolatori standard
סּ Alcune strutture standard di regolatori
–
– reti correttricireti correttrici
•• anticipo o ritardoanticipo o ritardo
– 1 polo ed uno zero reali •• anticipo/ritardoanticipo/ritardo
– due poli e due zeri reali distinti – due poli e due zeri reali distinti –
– regolatori industrialiregolatori industriali
• Proporzionali (P) • Integrali (I) • Proporzionali-Integrali (PI) • Proporzionali-Derivativi (PD) • Proporzionali-Integrali-Derivativi (PID) CA - 10 - Reti Correttrici 2
RETE CORRETTRICE IN
ANTICIPO
Applicazione
סּ Sistemi con basso margine di fase.
סּ Il controllore (Rete Correttrice) ha lo scopo di aumentare il
Mf -100 -50 0 50 M a g n itu d e ( d B ) Bode Diagram
Gm = 16.8 dB (at 1.52 rad/sec) , Pm = 67 deg (at 0.436 rad/sec)
CA - 10 - Reti Correttrici 4 -150 -100 M a g n itu d e ( d B ) 10-3 10-2 10-1 100 101 102 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 P h a s e ( d e g ) Frequency (rad/sec) MF
Rete di anticipo (phase lead)
0 10 20 G a in d B 60 P h a se d e g 1/ 1/ττττττττ 1/ 1/ατατατατατατατατSistema con guadagno Sistema con guadagno
statico
statico unitariounitario
1
<
α
Serve per migliorare il margine di fase
Serve per migliorare il margine di fase ω
(rad/sec) 0 20 40 P h a se d e g
( )
τ α ωm =1La rete anticipatrice ha due effetti sulla funzione di anello:
migliora il margine di fase intorno ad migliora il margine di fase intorno ad ωωωωωωωωmm ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ effetto utileeffetto utile
aumenta il guadagno per aumenta il guadagno per ωωωωωωωω > 1/> 1/τ τ τ τ τ τ τ τ ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ effetto collateraleeffetto collaterale
CA - 10 - Reti Correttrici 5
− 1 −1
Rete di Anticipo (phase lead)
סּ Effetti sulla f.d.t. di anello-50 0 50 G a in d B cresce ωc -100 ω (rad/sec) -90 -180 0 P h a se d e g Se si sceglie
Se si sceglie ττ in modo che in modo che
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
mm≅≅≅≅≅≅≅≅ ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
cc ⇒⇒ effetto stabilizzanteeffetto stabilizzantemigliora MF L(s)
L(s)
Rete di Anticipo (phase lead)
סּ Effetti sulla f.d.t. di anello-20 0 20 G a in d B L'aumento di guadagno in ωc si può compensare riducendo il guadagno -20 -90 -180 0 ω (rad/sec) P h a se d e g riducendo il guadagno statico del regolatore
⇐ prestazioni statiche !!!
Ingrandita
aggiunta di un polonell'origine
Rete di Anticipo (phase lead)
סּ Effetti sulla f.d.t. di anello-50 0 50 G a in d
B se si vuole ωc come prima
Con la rete di anticipo non si può ottenere
1/ 1/ττττττττ 1/1/ατατατατατατατατ -50 -180 -270 ω(rad/sec) P h a se d e g -90 La specifica sul Mf ≅ 90° si può soddisfare qui
non si può ottenere Mf ≅ 90° perché max anticipo è < 90°
per imporre ωc occorre GR <<1
Aggiunto polo nell'origine
Sintesi delle reti di Anticipo
סּ Ragionamento
–
– effetto utile: anticipo di fase effetto utile: anticipo di fase dB
0
Impianto + R1 Specifiche:Specifiche:
M
MFF = 90= 90°° e e ωωωωωωωωcc > > ωωωωωωωω11
Se posiziono la rete in ω1 la nuova frequenza di taglio
ω2 -1 ω1 -2 ° 0 -90
-180 anticipo minimo necessario
Devo anche calcolare un anticipo di fase maggiore per gli effetti combinati
la nuova frequenza di taglio sarà ωωωω2 > ωωωω1
ω2
La procedura è iterativa La procedura è iterativa
Rete di Anticipo – Esempio 1
1)
1) traccio diagramma di G 2)
2) verifico specifiche statiche
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 R1G G Specifiche: Plant: 3) 3) traccio diagramma di R1G ω ωcc ≅≅ 12 12 radrad/s/s M Mϕϕ ≅≅ 4040°° =>
=> posso usare una rete di posso usare una rete di anticipo anticipo -50 10-1 100 101 102 103 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 G CA - 10 - Reti Correttrici 10
Rete di Anticipo – Esempio 1
4)
4) calcolo l’anticipo della rete
ϕϕaminamin ≅≅ 4040°° se tagliassi in 12 rad/s.se tagliassi in 12 rad/s.
Poiché la rete guadagna, taglierò più a dx, e quindi mi occorre un -50
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 ω ωω ωc1 Specifiche: Plant: R1G G
più a dx, e quindi mi occorre un anticipo maggiore. Quanto?
-50 10-1 100 101 102 103 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 Ragionamento: Ragionamento: Se cercassi un anticipo di 55° avrei α = 0.1 e la rete guadagnerebbe 10dB in ω=ωm. La nuova ωc1 si avrebbe in G(ωc1)=-10dB.
Uso ωc1 come frequenza di
tentativo da cui calcolare α
G
Rete di Anticipo – Esempio 1
6) 6) calcolo l’anticipo in ωc1 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 5)5) leggo ωc1 dal diagramma
ω ω ω ω ω ω ω ωc1 c1 ≅≅≅≅≅≅≅≅ 22 rad/s22 rad/s ω ωω ωm Specifiche: Plant: ω ωω ωc1 R1G G 10-1 100 101 102 103 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 6) 6) calcolo l’anticipo in ωc1 ϕϕϕϕϕϕϕϕaa ≅≅≅≅≅≅≅≅ 6060°° -50 7) 7) ricavo la pulsazione ωm in cui la R1G attenua 11.5 dB ω ω ω ω ω ω ω ωmm ≅≅≅≅≅≅≅≅ 25 25 radrad/s/s G 12 CA - 10 - Reti Correttrici
Rete di Anticipo – Esempio 1
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 L R2 8) 8) calcolo τ ed ατ R1G G Specifiche: Plant: 10-1 100 101 102 103 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 -50 L R2 9) 9) traccio i diagrammi di R2 e di L e VERIFICO IL RISULTATO O.K. ω ω ω ω ω ω ω ωcc’’ ≅≅≅≅≅≅≅≅ 25 rad/s; M25 rad/s; MFF ≅≅≅≅≅≅≅≅ 8080°° G CA - 10 - Reti Correttrici 13Rete di Anticipo – Esempio 1
Osservazioni:
La soluzione trovata potrebbe non soddisfare le specifiche.
⇒ ⇒ ⇒
⇒ occorre iterare nell’intorno -50
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 L R2 R1G G Specifiche: Plant: ⇒ ⇒ ⇒
⇒ occorre iterare nell’intorno della soluzione trovata.
Se si tracciano diagrammi asintotici l’anticipo di fase della rete risulta leggermente minore di quello calcolato, a causa della
approssimazione asintotica. 10-1 100 101 102 103 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 -50 L R2 G
Trattandosi di un progetto grafico Trattandosi di un progetto grafico
le specifiche sono soddisfatte le specifiche sono soddisfatte
entro una fascia del 10%. entro una fascia del 10%.
Rete di Anticipo – Esempio 1
0.9 1 -150 -100 -50 0 -20 -10 0 10 20 30 coda di assestamento Specifiche: Plant: 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10-1 100 101 102 -150 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Real Axis Im a g A x e s CA - 10 - Reti Correttrici 15Sintesi delle Reti di Anticipo
סּ Si sfrutta l’anticipo di fasel’anticipo di fase סּ È massimo in
Algoritmo di progetto Algoritmo di progetto
1)
1) si verifica se le specifiche si possono soddisfare con una rete di anticipo
0 10 20 G a in d B ω (rad/sec) 0 20 40 60 P h a se d e g 1/ 1/ττττττττ 1/1/ατατατατατατατατ 1)
1) si verifica se le specifiche si possono soddisfare con una rete di anticipo ⇒ ωωωωωωωω
c
c desiderata > desiderata > ωωωωωωωωcc del sistema;
⇒ l'anticipo di fase richiesto in l'anticipo di fase richiesto in ωωωωωωωω
c
c desiderata sia < 70desiderata sia < 70--7575°°
2)
2) si assume come pulsazione di attraversamento di tentativopulsazione di attraversamento di tentativo quella alla quale l’impianto attenua ≅ 10dB.
⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒
⇒ Si calcola l'anticipo di fase necessario a quella frequenzaSi calcola l'anticipo di fase necessario a quella frequenza
3)
3) si calcolasi calcola αααααααα (con la formula o il diagramma al lucido 7) necessario per garantire l'anticipo di fase scelto;
Sintesi delle Reti di Anticipo
סּ Si sfrutta l’anticipo di fasel’anticipo di fase סּ È massimo in 0 10 20 G a in d B ω (rad/sec) 0 20 40 60 P h a se d e g 1/ 1/ττττττττ 1/1/ατατατατατατατατ 4)
4) si calcola il guadagno in ωm ( -10 log α) e si determina la frequenza alla si determina la frequenza alla
4)
4) si calcola il guadagno in ωm ( -10 log α) e si determina la frequenza alla si determina la frequenza alla quale il diagramma del modulo non compensato vale 10 log
quale il diagramma del modulo non compensato vale 10 log αα (<0). Lì Lì si posiziona la rete
si posiziona la rete
⇒ questa frequenza corrisponde ad ωωωωωωωω m m
⇒ questa frequenza corrisponde alla nuova frequenza di nuova frequenza di
attraversamento attraversamento
6)
6) si verifica il risultato e si itera se non è soddisfacentesi verifica il risultato e si itera se non è soddisfacente
5)
5) si calcolano
Rete di Anticipo – Esempio 2
סּ Specifiche nel dominio temporale
0 50 100
( )
2 s 4 s G = δ ≥ 0.45 T ≤ 4/δω Specifiche: T Ta2a2 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 4s; 4s; S% S% ≤≤≤≤≤≤≤≤ 20%20%Se chiuso in retroazione unitaria,
ha comportamento oscillatorio smorzato (2 radici immaginarie) 10-1 100 101 -50 0 10-1 100 101 -180 -160 -140 -120 δ ≥ 0.45 Ta2 ≤ 4/δωn δωn ≥ 1 Mf = 100*δ = 45° ωn ≥ 2.22
Per questo sistema la rete di anticipo non consente di
ottenere Mf = 90°
Rete di Anticipo – Esempio 2
סּ Specifiche nel dominio temporale
1) Verifica della fattibilità con rete anticipatrice
G(jω) = 1 per ω = 2 ⇒ o.k. ⇒
( )
2 s 4 s G = 0 50 100 T Ta2a2 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 4s; 4s; S% S% ≤≤≤≤≤≤≤≤ 20%20%( )
; 1 1 1 < α ατ + τ + = s s s Ranticipo richiesto 45°⇒ o.k.
2) Calcolo dell'anticipo di fase valore richiesto 45°,
scelgo 50°per avere un po' di margine 3) Calcolo di α dalla tabella α = 0.13 10-1 100 101 -50 0 10-1 100 101 -180 -160 -140 -120 CA - 10 - Reti Correttrici 19
Rete di Anticipo – Esempio 2
סּ Specifiche nel dominio temporale
4) Calcolo del guadagno
della rete anticipatrice in ω*
α = 0.13 α
( )
2 s 4 s G = 0 50 100 T Ta2a2 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 4s; 4s; S% S% ≤≤≤≤≤≤≤≤ 20%20% ωωωωωωωωcc > 2.22> 2.22 T Ta2a2 < 4s< 4s 1/ 1/ττττττττ -10*log α = 8.25 ω* = 3.21 5) calcolo τ =1/ (ω*√α) = .83 ατ = 0.1 6) Verifico 10-1 100 101 -50 0 10-1 100 101 -180 -160 -140 -120 CA - 10 - Reti Correttrici 20Rete di Anticipo – Esempio 2
סּ Specifiche nel dominio temporale
( )
2 s 4 s G = TTa2a2 ≤≤≤≤≤≤≤≤ 4s; 4s; S% S% ≤≤≤≤≤≤≤≤ 20%20% Come previsto, il sistema in retroazione • è un po' più veloce( )
; 1 1 . 0 1 83 . 0 1 < α + + = s s G s R R 1.2 1.4 risposta ottenuta risposta ottenuta• è un po' più veloce • non ha esattamente
l'overshoot desiderato
⇒ relazione approssimata
Mf ⇔ δ
⇒ presenza di uno zero con
dinamica un poco più lenta
di quella prescelta 00 1 2 3 4 5 0.2 0.4 0.6 0.8 1 risposta attesa risposta attesa CA - 10 - Reti Correttrici 21
Rete di Anticipo – Esempio 2
סּ Specifiche nel dominio temporale
– giustificazione della risposta al gradino
5 10 15 20 Im a g A x is
L'alterazione della risposta è dovuta allo zero a bassa
frequenza introdotto dalla
k = 4 -20 -15 -10 -5 0 5 Im a g A x is -20 -15 -10 0 5 10 15 20 Real Axis -5
frequenza introdotto dalla rete di anticipo, presente nella f.d.t. in retroazione,
il cui effetto è solo parzialmente cancellato
dal polo
Luogo delle radici della L(s) con guadagno = 1 Luogo delle radici della L(s) con guadagno = 1
doppio
RETE CORRETTRICE IN
RITARDO
Applicazione
סּ Serve per migliorare il margine di Ampiezza.
סּ Il Controllore (Rete Correttrice) diminuisce il guadagno in
corrispondenza del Ma -50 0 50 M a g n itu d e ( d B ) Bode Diagram
Gm = 16.8 dB (at 1.52 rad/sec) , Pm = 67 deg (at 0.436 rad/sec)
MA CA - 10 - Reti Correttrici 24 -150 -100 -50 M a g n itu d e ( d B ) 10-3 10-2 10-1 100 101 102 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 P h a s e ( d e g ) Frequency (rad/sec)
Rete di Ritardo (phase lag)
סּ Funzione di trasferimento -20 -10 0 G a in d B -20 0 P h a se d e g 1/ 1/ττττττττ 1/1/αααααααα11ττττττττ Gr = 1 αααα1 = .1 αααα2 = .5 − 1 −1Serve per migliorare Serve per migliorare
le prestazioni a bassa frequenza le prestazioni a bassa frequenza
ω (rad/sec) -60 -40 -20 P h a se d e g
La rete di ritardo ha due effetti sulla funzione di anello:
riduce il guadagno per riduce il guadagno per ωωωωωωωω>1/>1/ττττττττ ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ effetto utileeffetto utile
peggiora il margine di fase intorno ad peggiora il margine di fase intorno ad ωωωωωωωω ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ effetto collateraleeffetto collaterale
CA - 10 - Reti Correttrici 25
− 1 −1
ατ τ
( )
τ
α
ω
m =1Rete di Ritardo (phase lag)
סּEffetti sulla f.d.t. di anello–due possibilità
•• aumento del guadagno in bassa frequenza senza aumento del guadagno in bassa frequenza senza alterare il comportamento in alta frequenza
alterare il comportamento in alta frequenza
50 1/ 1/ατατατατατατατατ G r = 1/α -50 0 50 -200 -100 0 impianto impianto 1/ατ ≅ ωc/10 CA - 10 - Reti Correttrici 26
Rete di Ritardo (phase lag)
סּEffetti sulla f.d.t. di anello–due possibilità
•• riduzione del guadagno in alta frequenza per migliorare il riduzione del guadagno in alta frequenza per migliorare il margine di fase
margine di fase
–
– si riduce la banda passantesi riduce la banda passante
G
G = 1= 1
50 GG
rr = 1= 1
ττττττττ ee ατατατατατατατατ maggiori della maggiori della più grande costante più grande costante di tempo dell'impianto di tempo dell'impianto -50 0 50 -200 -100 0 impianto impianto
a parte evidenti cambiamenti a parte evidenti cambiamenti
di segno sono valide di segno sono valide le stesse formule della le stesse formule della
rete di anticipo rete di anticipo
Sintesi delle Reti di Ritardo
סּ Si sfrutta l’attenuazione l’attenuazione senza accentuare il ritardo di fase–
– Lo zero si colloca una decade prima della Lo zero si colloca una decade prima della ωωcc scelta, in modo da non scelta, in modo da non aggiungere ritardo di fase in
aggiungere ritardo di fase in ωωcc
– α si calcola per ottenere l'attenuazione necessaria per imporre ωc
0
dB Impianto + R1
-2
-1
Attenzione alla coppia Attenzione alla coppia
° 0 -90 -180 ωc si usa se si usa se M
MFF non soddisfacentenon soddisfacente e
e ωωωωωωωωcc < < ωωωωωωωω11
ω1
Attenzione alla coppia Attenzione alla coppia
polo/zero strutturalmente a polo/zero strutturalmente a frequenza più bassa di
frequenza più bassa di quella di taglio quella di taglio ⇒ ⇒⇒ ⇒⇒ ⇒⇒
⇒ coda di assestamentocoda di assestamento
Sintesi delle Reti di Ritardo
סּ Si sfrutta l’attenuazionel’attenuazioneסּ È massima dopo -20 -10 0 ω (rad/sec) -60 -40 -20 0 1/ 1/ττττττττ 1/1/ατατατατατατατατ Algoritmo di progetto Algoritmo di progetto 2)
2) si calcola la frequenza alla quale Mfrequenza alla quale MFF + 5+ 5°° di tolleranza è di tolleranza è soddisfacente soddisfacente ω (rad/sec) Algoritmo di progetto Algoritmo di progetto 1)
1) si verifica se le specifiche si possono soddisfare con una rete di ritardo
⇒ MF insufficiente; ⇒ ωωωωωωωω
c
c desiderata desiderata << ωωωωωωωωcc del sistema;
⇒ l'attenuazione richiesta in ω
c desiderata sia < 20-30dB
Sintesi delle Reti di Ritardo
סּ Si sfrutta l’attenuazionel’attenuazione
סּ È massima dopo -20 -10 0 ω (rad/sec) -60 -40 -20 0 1/ 1/ττττττττ 1/1/ατατατατατατατατ 3)
3) si posiziona lo zero della rete una decade più in basso di una decade più in basso di ωωωωωωωωcc
in modo da garantire uno sfasamento < 5° in ωc ⇒ ατατ = 10/= 10/ωω
cc
4)
4) si calcola l'attenuazione necessaria per imporre l'attenuazione necessaria per imporre ωωωωωωωωcc;
5)
5) si calcola αα per garantire l'attenuazione richiesta e quindi si calcola ττ Così come esposto l’algoritmo può essere inutilmente limitativo. Così come esposto l’algoritmo può essere inutilmente limitativo. Se alla pulsazione di taglio scelta la fase propria del sistema fosse Se alla pulsazione di taglio scelta la fase propria del sistema fosse esuberante rispetto alle specifiche, si può spostare la rete più a sx per esuberante rispetto alle specifiche, si può spostare la rete più a sx per
limitare la coda di assestamento limitare la coda di assestamento
Rete di ritardo – Esempio 1
( ) ( )
s s 2 10 s G + = 0 50 Specifiche: Mf > 60° il Mf dell'impianto non è sufficiente Mf > 60°per ωc < 1 Scelgo ω = 1 1/ 1/ατατατατατατατατ 1/ 1/ττττττττ( )
1 s 1 s 1 G s R r α < τ + ατ + = 10-1 100 101 -50 -200 -150 -100 -50 10-1 ω 100 101 c Scelgo ωc = 1 ατ = 10/ωc=10 Attenuazione necessaria 20log α = -15 dB α = 10^(-15/20) = .18 τ = 10/.18 = 56 CA - 10 - Reti Correttrici 31Rete di ritardo – Esempio 1
( ) ( )
s s 2 10 s G + = Specifiche: Mf > 60° Avendo scelto ωc = 1, δ =.6 mi aspetto Ta2 = 7 s Cosa è successo ? 0.8 1 1.2 risposta ottenuta risposta ottenutaSi nota la tipica coda di
assestamento dovuta ad una cancellazione polo/zero lenti non completa
Era prevedibile ?
Si perché la f.d.t. di anello ha tre poli ed uno zero al crescere del guadagno un polo tende allo zero
0 5 10 15 20 25 30 0 0.2 0.4 0.6 risposta attesa risposta attesa CA - 10 - Reti Correttrici 32
Rete di ritardo – Esempio 1
( )
1 s 56 1 s 10 s R + + = dinamicaprescelta k= 5( ) ( )
s s 2 10 s G + = Specifiche: Mf > 60° -2 -1 -.1 dinamica residua a bassa frequenza la cancellazione non è completa perché il guadagno non è infinito k= 5RETE CORRETTRICE IN
RITARDO ED ANTICIPO
Rete di Ritardo e Anticipo
(lead-lag)
סּ Funzione di trasferimento Re Im a Log|G(jω)| log(w)Diagramma di Bode asintotico
α τ τ1 2 τ ατ1 1 1 1 1 − 1 − 1 − 1 − ατ τ τ α τ a Arg[G(jω)] log(w) 0 Unione di rete Unione di rete
di ritardo e di rete di anticipo di ritardo e di rete di anticipo
Consente di aumentare il guadagno in bassa frequenza Consente di aumentare il guadagno in bassa frequenza
senza senza
pregiudicare la banda passante ed il margine di fase pregiudicare la banda passante ed il margine di fase
CA - 10 - Reti Correttrici 35
− − − −
1 1 2 2
Progetto di reti correttrici
סּ Problema della determinazione dei parametri delle reti correttrici
סּ Procedimento che può essere fatto in modo “esatto” utilizzando le “formule di formule di inversione
inversione”
סּ Possiamo interpretare la risposta armonica associata ad una rete correttrice, del tipo
סּ Come una funzione di cui vogliamo determinare i parametri τ1 e τ2 in funzione del guadagno M e della fase ϕ della rete:
Progetto di reti correttrici
סּ Separando parte reale e parte immaginaria otteniamo il sistema:
סּ Risolvendolo rispetto a τ1 e τ2 otteniamo le formule cercate:
Rete di Anticipo
סּ Rete anticipatriceסּ Dominio di validità:
1
Rete di Ritardo
סּ Rete ritardatriceסּ Dominio di validità:
1
Applicazione alla rete di Anticipo
סּ Si individua il punto B che possiede il margine di fase richiestoSi individua il punto A, tale che
ωA divenga la nuova pulsazione di incrocio
-1
Applicazione alla rete di Ritardo
סּ Si individua il punto B che possiede il margine di fase richiestoSi individua il punto A, tale che
ωA divenga la nuova pulsazione di incrocio
-1