SISTEMI LINEARI A COEFFICIENTE COSTANTE Per studiare la velocità, la precisione e la stabilità di un sistema bisogna individuare il modello matematico del sistema. Abbiamo visto che un sistema di controllo è formato da alcuni blocchi, ognuno del quale è un sistema. Per fare in modo che il sistema di controllo sia lineare bisogna che tutti i blocchi lo siano (lineari). SISTEMA LINEARE: un sistema lineare è un sistema per cui vale il principio della sovrapposizione degli effetti; il modello matematico di un sistema lineare continuo è un’equazione differenziale lineare. Ad esempio se abbiamo un sistema lineare a cui sono applicati due ingressi i1, i2, per calcolare l’uscita applichiamo prima l’ingresso i1 ponendo i2=0 e troviamo l’uscita u1. Poi applichiamo l’ingresso i2 ponendo i1=0 e troviamo l’uscita u2. Sommando u1 e u2 otteniamo l’uscita u del sistema quando gli ingressi sono applicati contemporaneamente. i1 u i2 u= u1 + u2 Tra uscita e ingresso c’è un rapporto lineare. I sistemi sono lineari, a parte perché vale il principio della sovrapposizione, anche perché l’uscita di tali sistemi è un polinomio in cui l’incognita compare elevata solo al primo grado. u(t)=2 i(t) lineare 2 u(t)=3 i (t) non lineare I sistemi lineari, inoltre, sono a coefficiente costante: il rapporto tra uscita e ingresso è costante (f.d.t.). 1°esempio: SISTEMA ELETTRICO di 1°Ordine R i(t) vi(t) C vc(t) vi(t) vc(t) vi(t)= vR(t)+ vc(t) vR(t)=R . i(t) i (t ) C dvc (t ) dt accumulo delle cariche sulle armature del condensatore Sostituiamo vR(t) e i(t) nell’equazione di vi(t) vi (t ) R .C dvc (t ) vc (t ) dt R .C dvc (t ) vc (t ) vi (t ) dt Legame matematico del sistema: legame che esiste tra ingresso e uscita In questo modello matematico sia il termine noto che l’incognita compaiono con grado “0”. Oltre all’incognita c’è anche la derivata dell’incognita e un’equazione di questo tipo è detta equazione differenziale. Le equazioni differenziali si diversificano in base al grado della derivata. In questo caso è un’equazione del 1° ordine. Infatti: un sistema che è descritto da un’equazione differenziale del 1° ordine è un sistema di 1° ordine. un sistema che è descritto da un’equazione differenziale del 2° ordine è un sistema di 2° ordine ecc. Il sistema è continuo perché compaiono funzioni continue. Tutti i sistemi che sono riconducibili ad un modello di questo tipo: R .C dvc (t ) vc (t ) vi (t ) dt sono sistemi del 1° ordine. Per sapere se i sistemi di 1° ordine sono veloci, precisi e stabili basta studiare un solo sistema e, in questo modo, sapremo le caratteristiche di tutti i sistemi del 1° ordine. Infatti, un generico sistema del primo ordine sarà rappresentato da una equazione del tipo: u’(t) + a . u(t) = b . i(t) Questa equazione, che è di tipo generico, potrà poi essere facilmente adeguata allo studio di un particolare sistema sostituendo, al posto dei generici parametri a e b , i parametri caratteristici del sistema in questione. 2°esempio: SISTEMA MECCANICO di 2°Ordine Modelizzazione di un sistema di ammortizzatore di un’auto Fm Fm= forza molla Fg= Forza gravità Fa=Forza d’ attrito m Fa Fg La molla accumula energia e poi la restituisce. La forza della molla è proporzionale al coefficiente di elasticità della molla (Km) e allo spostamento x(t), cioè la dilatazione: Fm=Km . x(t) Fg= m . g (g 9,8 m/s 2) Fa= Kv . v(t) m=massa a= accelerazione di gravità Kv= coefficiente d’attrito, varia in funzione del gas v(t)= velocità con cui si muove il corpo Quindi, il nostro sistema, rappresentato con uno schema a blocchi è: Fm Fg Fa x(t) L’uscita che ci interessa conoscere è la posizione del corpo. Su tale sistema, quindi agiscono 3 forze. Pertanto la forza totale applicata a quel corpo è la seguente: FTOT= Fm+Fg+Fa somma algebrica FTOT=Km . x(t) + m . g + Kv . v(t) La seconda legge di Newton dice che la forza applicata ad un corpo in caduta libera è pari al prodotto tra la massa e l’accelerazione del corpo: FTOT= m . a(t) * Ma l’accelerazione è la variazione della velocità nell’unità di tempo : dv(t ) d 2 x(t ) a(t ) 2 dt dt A sua volta la velocità è la variazione dello spazio nell’unità di tempo: v(t ) dx(t ) dt - Sostituiamo i valori nella relazione scritta in rosso e contrassegnata dall’asterisco: m. d 2 x(t ) dx(t ) Km. x(t ) mg Kv . 2 dt dt Portiamo a sinistra i termini che contengono l’uscita x(t): m. d 2 x(t ) dx(t ) Kv . Km. x(t ) mg 2 dt dt Dividiamo tutto per m: . . d 2 x(t ) Kv dx(t ) Km x(t ) g m dt m dt 2 Questa è un’equazione differenziale del 2°ordine; infatti compare l’incognita, la derivata dell’incognita, e la derivata seconda dell’incognita. g x(t) m Km Kv parametri Quindi, controllando il modello matematico e la derivata di grado maggiore, possiamo conoscere l’ordine del sistema.