Margine di Fase e Margine di Guadagno

Lo studio del diagramma di Nyquist della F(s) risulta di particolare importanza perché non si limita a fornire un'indicazione "on/off" ( stabile/instabile ) sulla stabilità del sistema retroazionato , ma permette al progettista un'analisi più complessa sul comportamento del sistema stesso al variare del guadagno statico in catena aperta. Le fasi di questa analisi sono due:
1)
Classificazione della stabilità , in 4 categorie ; facendo riferimento , per semplicità , alla situazione di un sistema a retroazione unitaria ( per cui il punto critico è -1+j0 ) e di sistema in catena aperta stabile ( per cui si applica il criterio di Nyquist ridotto , la condizione di instabilità si riconduce al circondamento del punto critico da parte del diagramma polare ) , alle 4 categorie corrispondono altrettanti comportamenti del diagramma di Nyquist al variare del guadagno :
 
1a) stabilità incondizionata se, come visto nell'esempio del paragrafo precedente , il sistema è stabile per qualsiasi valore del guadagno statico. Sistemi di questo tipo sono caratterizzati da un diagramma di Nyquist che non interseca mai il semiasse reale negativo. Questa situazione è riportata in figura 1.
  Figura 3 : Il diagramma di Nyquist di 1/(s+1)
 
1b) stabilità regolare , se il sistema risulta stabile per un intervallo di guadagni Kst che va da 0 ad un valore limite Kmax . Rientrano in questa categoria i sistemi il cui diagramma di Nyquist interseca in un solo punto il semiasse reale negativo : nelle figure 3 e 4 sono mostrati i diagrammi di un sistema a tre poli reali negativi del tipo 
 
 
rispettivamente per Kst=30 ( in blu , in corrispondenza del quale il diagramma non circonda il punto critico e quindi il sistema retroazionato è stabile ) e per Kst=100 ( in rosso , in corrispondenza del quale il diagramma circonda il punto critico e quindi il sistema retroazionato è instabile ).
  Figura 2 : il passaggio dalla stabilità all'instabilità , al crescere del guadagno , per un sistema a stabilità regolareFigura 3 : il passaggio dalla stabilità all'instabilità , al crescere del guadagno , per un sistema a stabilità regolare. Dettaglio attorno al punto critico
 
1c) stabilità condizionata , se il sistema risulta instabile tanto per Kst<Kmin che per Kst>Kmax : esiste quindi un intervallo di valori che il progettista può assegnare al guadagno statico in modo da ottenere un sistema retroazionato stabile. Al di fuori di tale intervallo il sistema a ciclo chiuso risulta instabile. Questi sistemi sono caratterizzati da un diagramma di Nyquist che interseca in più punti il semiasse reale negativo , in modo che il punto critico venga circondato tanto per piccoli valori di Kst , che per grandi valori di Kst. Quando le intersezioni con il semiasse negativo sono molte, può anche accadere che esistano più intervalli di stabilità per il guadagno statico : perché però l'applicazione del criterio mantenga significato fisico è necessario che ciascuno di questi intervalli sia limitato superiormente. Altrimenti si parla di :
 
1d) stabilità paradossale , quando , per Kst>kn , il diagramma non circonda più il punto critico e quindi il sistema retroazionato è stabile anche per valori indefinitamente grandi del guadagno statico . Si parla di stabilità paradossale perché questa situazione è sintomo di un errore nello studio del sistema stesso : un motivo frequente è ad esempio un'eccessiva semplificazione nell'identificazione del modello della F(s) , che induce a trascurare poli non irrilevanti nella dinamica del sistema stesso.
2)
Quantificazione della stabilità , mediante la definizione dei margini di stabilità . Non è infatti sufficiente , ai fini della sintesi di un sistema di controllo, affermare che il sistema progettato è stabile : bisogna specificare quanto il sistema realizzato è lontano dalla condizione di instabilità . 
Se infatti il sistema progettato è , già "sulla carta", prossimo al limite di instabilità , ci si può ritrovare, "sul campo ", con un sistema di fatto instabile a causa di diversi fattori : 
- approssimazioni adottate in fase di progetto ; 
- variazioni parametriche rispetto al modello considerato ; 
- insorgenza di disturbi non preventivati.

Si è detto in precedenza che , per sistemi stabili in catena diretta , la condizione di instabilità è rappresentata dal circondamento , da parte del diagramma di Nyquist , del punto critico ( -1+j0 , nel caso di retroazione unitaria ) : a partire da questa osservazione si sono definiti due parametri che permettano la quantificazione di cui sopra.
 
2a) margine di guadagno : riferendoci per semplicità ad un sistema del tipo 1a) , al crescere di Kst l'intersezione del diagramma con il semiasse reale negativo si avvicina al punto -1+j0 , fino a circondarlo in corrispondenza di un valore Kst=kmax. Dicendo  la frequenza per cui avviene tale intersezione ( cioè  ) , la distanza fra tale punto ( indicato in figura 4 con la lettera P ) e -1+j0 ( indicato in figura 4 con la lettera C ) è una buona misura di quanto il sistema sia distante dall'instabilità. 
Tale quantità , che è rappresentata in figura 4 dal segmento PC e si può valutare matematicamente come  , è una prima possibile definizione del margine di guadagno.
  La distanza dall'instabilità di un sistema a stabilità regolare ( una sola intersezione con il semiasse negativo
 
Non si tratta tuttavia della definizione più utilizzata , pertanto si è indicato questo paramentro con mg' . La soluzione più diffusa consiste infatti nel definire il margine di guadagno come il rapporto fra il segmento OP ed il segmento OC : 
Trattando sistemi a retroazione unitaria si ha OC=1 , perciò il margine di guadagno si riduce a :
Il motivo del maggiore utilizzo di mg a scapito di mg' risiede nel fatto che , essendo un rapporto, mg si può esprimere anche in dB ed è direttamente rilevabile dai diagrammi di Bode della funzione di trasferimento: 

;

Per i sistemi a retroazione unitaria il logaritmo di OC è nullo e quindi il margine di guadagno si riduce a :


Si noti che OP è il modulo della funzione di trasferimento in corrispondenza dell'intersezione con il semiasse reale negativo , quindi per sistemi stabili ha valori inferiori all'unità : il logaritmo è quindi negativo e il margine di fase è positivo. Per sistemi a retroazione unitaria instabili, invece, tale segmento ha ampiezza maggiore di 1 e il corrispondente logaritmo è positivo : il margine di fase è negativo.
 
2b) margine di fase : la figura 5 mostra che il margine di guadagno non è sufficiente , da solo, a caratterizzare completamente la distanza del sistema dal limite di instabilità. Nella figura sono infatti mostrati i diagrammi di Nyquist di due sistemi caratterizzati dallo stesso margine di guadagno ( stessa lunghezza del segmento PC , in quanto intersecano il semiasse reale negativo nello stesso punto ) : nonostante ciò , è evidente che il sistema tracciato in rosso è più prossimo all'instabilità del sistema tracciato in blu . In altre parole, nel sistema in rosso è sufficiente un minore incremento di Kst per ottenere un sistema a ciclo chiuso instabile , mentre per il sistema tracciato in blu è necessario un incremento maggiore .
  Figura 5 : il diagramma di Nyquist di due sistemi con lo stesso margine di guadagno
 
Risulta utile, allora, definire una seconda grandezza che sia in grado di distinguere fra queste due situazioni. Per fare ciò si parte da una considerazione simile a quella effettuata per definire il margine di guadagno : il circondamento del punto critico avviene , per sistemi a retroazione unitaria, quando il modulo della funzione di trasferimento in catena aperta diventa pari ad 1. Definiamo pulsazione di attraversamento ,  , la "frequenza" per cui ciò accade : 
.

Possiamo pensare la pulsazione di attraversamento come la pulsazione in corrispondenza della quale il diagramma di Nyquist interseca la circonferenza unitaria : se in corrispondenza di la fase è inferiore a -180° l'intersezione avviene nel 3° quadrante ( figura 6A ) e il punto critico non viene circondato , perciò il sistema a ciclo chiuso è stabile. Se invece in corrispondenza di  la frequenza è inferiore a -180° l'intersezione con la circonferenza unitaria avviene nel 2° quadrante e il punto critico viene circondato : il sistema a ciclo chiuso è instabile ( figura 6B ).
  Figura 6A : se il sistema è stabile l'intersezione con la circonferenza unitaria avviene nel 3° quadranteFigura 6B : se il sistema è instabile l'intersezione con la circonferenza unitaria avviene nel 2° quadrante
 
Risulta quindi naturale definire il margine di fase come la "distanza" fra la fase della funzione di trasferimento alla pulsazione di attraversamento e il valore critico di -180°:

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