Controlli automatici/Stabilità interna di sistemi dinamici LTI
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Stabilità interna di sistemi LTI a tempo continuo[modifica]
6 La legge secondo cui evolve la perturbazione <math>\delta x (t)</math> dello stato di un sistema LTI a tempo continuo, con ingresso <math>\tilde u (t)</math> costante, continua a valere al variare dello stato iniziale nominale <math>{\tilde x}_0</math>, e quindi della perturbazione <math>\delta x_0</math> dello stato iniziale:
- <math>\dot x \left( t \right) = A x \left( t \right) + B \tilde u \left( t \right) \Rightarrow \dot{\delta x} \left( t \right) = A \delta x (t) \Rightarrow \delta x (t) = x (t) - \tilde x (t) = e^{At} \delta x_0 , \quad \forall t \geq 0</math>
perciò la proprietà di stabilità riguarda l'intero sistema e non i singoli movimenti.
7 La stabilità del sistema dipende dagli autovalori <math>\lambda_i</math> della matrice di stato <math>A</math>. Un modo naturale può essere:
- esponenzialmente convergente se <math>\Re{\left( \lambda_i \right)} <0</math>;
- limitato se <math>\Re{\left( \lambda_i \right)} =0</math> e <math>\mu_i' = 1</math>;
- polinomialmente divergente se <math>\Re{\left( \lambda_i \right)} =0</math> e <math>\mu_i' > 1</math>;
- esponenzialmente divergente se <math>\Re{\left( \lambda_i \right)} >0</math>.
10 L'assenza di autovalori nulli garantisce l'invertibilità della matrice <math>A</math>:
- <math>\det{A} = \prod_{i=1}^n \lambda_i \neq 0</math>
e quindi, nel caso l'ingresso nominale sia pari all'ingresso di equilibrio <math>\bar u</math> costante, esiste un solo punto di equilibrio isolato:
- <math>\bar x = - A^{-1} B \bar u</math>
Criteri di stabilità[modifica]
Instabilità[modifica]
Un sistema LTI a tempo continuo è instabile se e solo se almeno un modo naturale è divergente (polinomialmente o esponenzialmente).
- 11 Criterio di instabilità
Un sistema LTI a tempo continuo è instabile se almeno un modo naturale è esponenzialmente divergente, cioè se almeno un autovalore <math>\lambda_i</math> ha parte reale positiva:
- <math>\exists i : \; \Re{\left( \lambda_i \right)} > 0 \Rightarrow \text{ sistema instabile}</math>
Stabilità semplice[modifica]
Un sistema LTI a tempo continuo è semplicemente stabile se e solo se nessuno dei modi naturali è divergente e almeno un modo naturale è limitato con <math>\mu' = 1</math>.
- 12 Criterio di stabilità semplice
Un sistema LTI a tempo continuo è semplicemente stabile se nessuno dei modi naturali è divergente e almeno un modo naturale è limitato con <math>\mu = \mu' = 1</math>:[1]
- <math>\begin{cases} \forall i : \; \Re{\left( \lambda_i \right)} \leq 0 \\ \exists k : \; \Re{\left( \lambda_k \right)} = 0 \\ \forall k : \; \Re{\left( \lambda_k \right)} = 0 \longrightarrow \mu_k = 1 \end{cases} \Rightarrow \text{ sistema semplicemente stabile}</math>
Stabilità asintotica[modifica]
Un sistema LTI a tempo continuo è asintoticamente stabile se e solo se tutti i modi naturali sono convergenti (esponenzialmente).
- 10 Criterio di stabilità asintotica
Un sistema LTI a tempo continuo è asintoticamente stabile se e solo se tutti i modi naturali sono esponenzialmente convergenti, cioè se e solo se tutti gli autovalori <math>\lambda_i</math> hanno parti reali negative:
- <math>\forall i : \; \Re{\left( \lambda_i \right)} < 0 \Leftrightarrow \text{ sistema asintoticamente stabile}</math>
Un sistema LTI asintoticamente stabile è sempre globalmente asintoticamente stabile, perché la perturbazione evolve secondo una legge che vale per qualsiasi perturbazione iniziale <math>\delta x_0</math>.
Caso critico[modifica]
13 Dato un sistema LTI a tempo continuo, se:
- <math>\begin{cases} \forall i: \; \Re{\left( \lambda_i \right)} \leq 0 \\ \exists k : \; \Re{\left( \lambda_k \right)} = 0 , \; \mu_k > 1 \end{cases}</math>
allora il sistema può risultare semplicemente stabile o instabile, a seconda se siano presenti dei modi polinomialmente divergenti.
Stabilità interna di sistemi LTI a tempo discreto[modifica]
20 La legge secondo cui evolve la perturbazione <math>\delta x (k)</math> dello stato di un sistema LTI a tempo discreto, con ingresso <math>\tilde u (k)</math> costante, continua a valere al variare dello stato iniziale nominale <math>{\tilde x}_0</math>, e quindi della perturbazione <math>\delta x_0</math> dello stato iniziale:
- <math>x \left( k+1 \right) = A x (k) + B u \tilde (k) \Rightarrow \delta x \left( k+1 \right) = A \delta x (k) \Rightarrow \delta x (k) = x (k) - \tilde x (k) = A^k \delta x_0 , \quad \forall k \geq 0</math>
perciò la proprietà di stabilità riguarda l'intero sistema e non i singoli movimenti.
21 La stabilità del sistema dipende dagli autovalori <math>\lambda_i</math> della matrice di stato <math>A</math>. Un modo naturale può essere:
- geometricamente convergente se <math>\left| \lambda_i \right| < 1</math>;
- limitato se <math>\left| \lambda_i \right| =1</math> e <math>\mu_i' = 1</math>;
- polinomialmente divergente se <math>\left| \lambda_i \right| =1</math> e <math>\mu_i' > 1</math>;
- geometricamente divergente se <math>\left| \lambda_i \right| >1</math>.
24 L'assenza di autovalori diversi da 1 garantisce l'invertibilità della matrice <math>I-A</math>:
- <math>\det{\left( I-A \right)} = \prod_{i=1}^n \left( 1- \lambda_i \right) \neq 0</math>
e quindi, nel caso l'ingresso nominale sia pari all'ingresso di equilibrio <math>\bar u</math> costante, esiste un solo punto di equilibrio isolato:
- <math>\bar x = {\left( I-A \right)}^{-1} B \bar u</math>
Criteri di stabilità[modifica]
Instabilità[modifica]
Un sistema LTI a tempo discreto è instabile se e solo se almeno un modo naturale è divergente (polinomialmente o geometricamente).
- 25 Criterio di instabilità
Un sistema LTI a tempo discreto è instabile se almeno un modo naturale è geometricamente divergente, cioè se almeno un autovalore <math>\lambda_i</math> ha modulo maggiore di 1:
- <math>\exists i : \; \left| \lambda_i \right| > 1 \Rightarrow \text{ sistema instabile}</math>
Stabilità semplice[modifica]
Un sistema LTI a tempo discreto è semplicemente stabile se e solo se nessuno dei modi naturali è divergente e almeno un modo naturale è limitato con <math>\mu' = 1</math>.
- 26 Criterio di stabilità semplice
Un sistema LTI a tempo discreto è semplicemente stabile se nessuno dei modi naturali è divergente e almeno un modo naturale è limitato con <math>\mu = \mu' = 1</math>:[1]
- <math>\begin{cases} \forall i : \; \left| \lambda_i \right| \leq 1 \\ \exists k : \; \left| \lambda_k \right| = 1 \\ \forall k : \; \left| \lambda_k \right| = 1 \longrightarrow \mu_k = 1 \end{cases}</math>
Stabilità asintotica[modifica]
Un sistema LTI a tempo discreto è asintoticamente stabile se e solo se tutti i modi naturali sono convergenti (geometricamente).
- 24 Criterio di stabilità asintotica
Un sistema LTI a tempo discreto è asintoticamente stabile se e solo se tutti i modi naturali sono geometricamente convergenti, cioè se e solo se tutti gli autovalori <math>\lambda_i</math> hanno moduli minori di 1:
- <math>\forall i : \; \left| \lambda_i \right| < 1 \Leftrightarrow \text{ sistema asintoticamente stabile}</math>
Un sistema LTI asintoticamente stabile è sempre globalmente asintoticamente stabile, perché la perturbazione evolve secondo una legge che vale per qualsiasi perturbazione iniziale <math>\delta x_0</math>.
Caso critico[modifica]
27 Dato un sistema LTI a tempo discreto, se:
- <math>\begin{cases} \forall i: \; \left| \lambda_i \right| \leq 0 \\ \exists k : \; \left| \lambda_k \right| = 1 , \; \mu_k > 1 \end{cases}</math>
allora il sistema può risultare semplicemente stabile o instabile, a seconda se siano presenti dei modi polinomialmente divergenti.
Note[modifica]
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