Lezioni di Elettrotecnica 5. Diagramma di Bode

Vedremo adesso in questa nuova lezione i diagrammi di Bode e relativi diagrammi per la sua rappresentazione. Consideriamo quindi la funzione

Come si vede dalla formula questa equazione può essere rappresentata in tre modi differenti.
Come parte parte reale e parte immaginaria o Diagramma di Nyquist
Diagramma di Bode
Come argomento in funzione del suo modulo o diagramma di Chart
Diagramma di Bode

Come modulo e argomento in funzione della sua pulsazione o diagramma di Bode

Diagramma di Bode
Ovviamente stiamo trattando di numeri complessi.

Richiamiamo quindi brevemente alcune proprietà dei numeri complessi

Diagramma di Bode
alcune proprietà dei logaritmi. Che ci permettono di scrivere

Introduciamo adesso i decibel. Senza entrare nello specifico dato. Data la funzione complessa W(jw) in funzione della sua pulsazione il suo decibel è dato

|W(jω)|dB = 20 log10 |W(jω)|

che ci permette di riscrivere nella cosidetta scala lograritmica che è appunto lineare e semplificata

Diagramma di Bode

.

Quindi se noi poniamo

Diagramma di Bode
l’equazione del decibel può essere riscritta come
Diagramma di Bode
dove

s db =20 log10 r

svolgendo i calcoli algebrici.

Consideriamo la seguente funzione data

Diagramma di Bode

Dove il fattore sh rappresenta eventuali poli multipli nell’origine.
che in forma fattorizzata con le costanti di tempo si dimostra essere

Diagramma di Bode in modulo e fase

 

 

Diagramma di Bode
e quindi il logaritmo del modulo è

Diagramma di Bode
mentre la fase è data da

Diagramma di Bode

dove il valore K prende il nome di costante di guadano

  • Se h = 0 rappresenta il guadano statico
  • Se h=1 K si chiama costante di velocità
  • Se h = 2 K si chiama costante di accellerazione.

da cui si vede che sia in caso di modulo che di argomento il diagramma di bode è costituito dalle seguenti funzioni elementari
Diagramma di Bode

Guadagno Costante
Ossia sia

G(s) =K

e passando nel domino della frequenza abbiamo
Diagramma di Bode

che in modulo e fase possiamo riscriviere come
Diagramma di Bode
e facendo il diagramma di modulo e fase risulta
Diagramma di Bode

Diagramma di Bode

Polo nell’origine.

Nel caso ci sia solamente un polo nell’origine la funzione diventa

Diagramma di Bode

e quindi

Diagramma di Bode

Diagramma di Bode

dal diagramma dei moduli ioltre si vede che ha una pendenza di -1 ossia -20 db/dec.

Polo Reale

Mettiamo adesso che la funzione G(s) abbia un polo reale ossia sia del tipo

Diagramma di Bode

E il diagramma di Bode diventa

Diagramma di Bode
da cui si vede che alle basse frequenze il modulo tende a uno e la fase a zero. Mentre alle alte frequenze la G tende a zero e la fase a −π/2
Come si vede dal diagramma
Diagramma di Bode
Poli Complessi Coniugati
Con (0≤δ <1):

Supponiamo di avere la seguente G(s)

Diagramma di Bode

con ampiezze e fasi date da
Diagramma di Bode

.

Che per valori pari a r δ ∈ {0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 1}
Diventa
Diagramma di Bode
Pulsazione di risonanza dalla G(s) sopra poniamo

u = ω/ωn

Quindi il massimo ottenibile dal modulo dell’ampiezza si ha per un minimo della funzione
Diagramma di Bode
La cui derivata è data da

Diagramma di Bode
E quindi tralasciando al soluzione nulla che non porta contributo informativo al problema abbiamo che la frequenza di risonanza è data da

Diagramma di Bode

Le pulsazioni ωa e ωb sono legate alla pulsazione ωn dalla relazione:

Diagramma di Bode

Esempio Diagramma di Bode

Consideriamo la funzione

Diagramma di Bode

Cerchiamo di scriverla nella forma canonica vista sopra ossia

Diagramma di Bode
Se riusciamo a scriverla in questo modo il valore 8 rappresenta il guadagno della funzione di trasferimento data.

Come si vede la funzione ha due poli nell’origine che valgono appunto zero. Un polo reale s=-1 e un doppio polo reale per s=-5

 

Esempio 2  Diagramma di Bode

Tracciamo la funzione di trasferimento per

 G(s)  = 2/s

che nel dominio della frequenza in modulo e fase risulta

Diagramma di Bode

quindi
Diagramma di Bode

mentre
Diagramma di Bode
La fase è sempre ovviamente negativa e pari a -90 gradi. E come potete vedere dal grafico la pendenza è -1.

Diagramma di Bode

Grafi asintotici di Bode.

Consideriamo la funzione

Diagramma di Bode
quindi le singole componenti risultano essere
Diagramma di Bode
E si disegnono i contribuiti Ossia
K è costante e |K| = -7.96 db e arg K = −π.
Inoltre ha uno zero instabile (1-s) e un polo stabile (1+s)-1. Il loro contributo nel diagramma delle fasi si somma . E l’ampiezza ω → ∞ `e −π
La coppia di poli complessi e coniugati

Diagramma di Bode

determina sul diagramma
asintotico delle ampiezze una attenuazione di −40 db/dec a partire dalla pulsazione ωn = 5. Il contributo al diagramma delle fasi `e negativo di ampiezza complessiva −π al variare di ω. Le pulsazioni alle quali si ha un cambiamento di pendenza del diagramma asintotico delle fasi sono le seguenti con δ = 0.8 coefficiente di smorzamento.
Rimettendo insieme tutte queste considerazioni si ha il diagramma di Bode dell’Ampiezza e delle fasi
Diagramma di Bode

e

Diagramma di Bode