Bode Diagram, Control System Analysis, Transfer function

Obtaining Transfer Function from Bode Diagram

Bode plots are a convenient presentation of the frequency response data for
the purpose of estimating the transfer function. These plots allow parts of the
transfer function to be determined and extracted, leading the way to further
refinements to find the remaining parts of the transfer function.

Although experience and intuition are invaluable in the process, the following steps are still offered as a guideline:

1. Look at the Bode magnitude and phase plots and estimate the pole-zero configuration of the system. Look at the initial slope on the magnitude plot to determine system type. Look at phase excursions to get an idea of the difference between the number of poles and the number of zeros.
2. See if portions of the magnitude and phase curves represent obvious first- or second-order pole or zero frequency response plots.
3. See if there is any telltale peaking or depressions in the magnitude response plot that indicate an underdamped second-order pole or zero, respectively.
4. If any pole or zero responses can be identified, overlay appropriate ±20 or ±40 dB/decade lines on the magnitude curve or ±45°/decade lines on the phase curve and estimate the break frequencies.For second-order poles or zeros, estimate the damping ratio and natural frequency from the standard curves.
5. Form a transfer function of unity gain using the poles and zeros found. Obtain the frequency response of this transfer function and subtract this response from the previous frequency response (Franklin, 1991). You now have a frequency response of reduced complexity from which to begin the process again to extract more of the system’s poles and zeros. A computer program such as MATLAB is of invaluable help for this step.

Example

Find the transfer function of the subsystem whose Bode plots are shown in Figure 1:

null

Figure 1

Let us first extract the underdamped poles that we suspect, based on the peaking in the magnitude curve.We estimate the natural frequency to be near the peak frequency, or approximately 5 rad/s. From Figure 1, we see a peak of about 6.5 dB, which translates into a damping ratio of about ζ=0,24. The unity gain second-order function is thus:

null

The frequency response plot of this function is made and subtracted from the previous
Bode plots to yield the response in Figure 2:

null

Figure 2

Overlaying a -20 dB/decade line on the magnitude response and a -45°/decade line on the phase response, we detect a final pole. From the phase response, we estimate the break frequency at 90 rad/s. Subtracting the response of G2(s)=90/(s+90) from the previous response yields the response in Figure 3.

null

Figure 3

Figure 3 has a magnitude and phase curve similar to that generated by a lag function. We draw a -20 dB/decade line and fit it to the curves. The break frequencies are read from the figure as 9 and 30 rad/s. A unity gain transfer function containing a pole at -9 and a zero at -30 is G3(s)=0.3(s+30)/(s+9). Upon subtraction of G1(s)G2(s)G3(s), we find the magnitude frequency response flat ±1 dB and the phase response flat at -3± 5°. We thus conclude that we are finished extracting dynamic transfer functions as:

null

It is interesting to note that the original curve was obtained from the function:

null

Sources:

  1. Modern_Control_Engineering, Ogata 4t
  2. Control Systems Engineering, Nise
  3. Sistemas de Control Automatico, Kuo

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Análisis de sistemas de control, Diagrama de Bode, Función de Transferencia

Función de transferencia a partir del diagrama de Bode.

Los gráficos de Bode son una presentación conveniente de los datos de respuesta de frecuencia para el propósito de estimar la función de transferencia. El Diagrama de Bode permite determinar y extraer partes de la la función de transferencia, lo que abrirá el camino a más cálculos para encontrar las partes restantes de dicha función.

Aunque la experiencia y la intuición son invaluables en el proceso, los siguientes pasos  ofrecen una guía:

1. Observe las gráficas de magnitud y fase de Bode y estime la configuración de polos y zeros del sistema. Observar la pendiente inicial en el diagrama de magnitud para determinar el tipo de sistema. Observar las excursiones de fase para tener una idea de la diferencia entre el número de polos y el número de zeros.
2. Vea si partes de las curvas de magnitud y fase representan gráficas obvias de respuesta de frecuencia de polo o zero de primer o segundo orden.
3. Observar si hay algún pico revelador o depresiones en la gráfica de magnitud que indique un polo de segundo orden o zero amortiguado, respectivamente.
4. Si alguna respuesta típica de un polo o un zero puede ser identificada, superponer líneas apropiadas de ± 20 o ± 40 dB / década en la curva de magnitud o líneas de ±45°/década en la curva de fase y estimar las frecuencias de ruptura. Para polos o zeros de segundo orden, calcule la relación de amortiguamiento y la frecuencia natural a partir de las curvas estándar.

5. Diseñar una función de transferencia de ganancia unitaria utilizando los polos y zeros encontrados. Obtenga la respuesta de frecuencia de esta función de transferencia y reste esta respuesta de la respuesta de frecuencia anterior, con la que comenzó el ejercicio. Ahora tiene una respuesta de frecuencia de complejidad reducida a partir de la cual comenzar el proceso nuevamente para extraer más información sobre los polos y ceros del sistema. Un programa de computadora como MATLAB es de gran ayuda para este paso.

Example

Encontrar la función de transferencia del sistema cuyo diagrama de Bode se muestra en la Figura 1:

null

Figura 1

Primero extraigamos los polos subamortigados, basados en el pico en la curva de magnitud. Estimamos que la frecuencia natural está cerca de la frecuencia pico, o aproximadamente 5 rad/s. De la Figura 1, podemos ver un pico alrededor de 6.5 dB, que se interpreta como un factor de amortiguamiento ζ=0,24. La función de transferencia estándar de un sistema de segundo orden con ganancia unitaria es:

null

Se restan los diagramas de Bode en la Figura 2:

null

Figura 2

Al superponer una línea de -20 dB/decade en la respuesta de magnitud y una línea de -45°/decade en la respuesta de fase, detectamos un polo final. A partir de la respuesta de fase, estimamos la frecuencia de ruptura a 90 rad/s. Restando la respuesta de G2(s)=90/(s+90) de la respuesta anterior se obtiene la respuesta en la Figura 3.

null

Figura 3

La figura 3 tiene una curva de magnitud y fase similar a la generada por una función de retraso. Dibujamos una línea de -20 dB/decade y la ajustamos a las curvas. Las frecuencias de ruptura se leen de la figura como 9 y 30 rad/s. Una función de transferencia de ganancia unitaria que contiene un polo en -9 y un cero en -30 es G3(s)=0.3(s+30)/(s+9). Al restar G1(s)G2(s)G3(s), encontramos la respuesta de frecuencia de magnitud plana ± 1 dB y la respuesta de fase plana a -3 ± 5 °. Por lo tanto, concluimos que hemos terminado de extraer las funciones de transferencia dinámica, la cual es:

null

Es interesante notar que la curva original se obtuvo de la función:

null

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Análisis de sistemas de control, Diagrama de Bode

El diagrama de Bode – Gráfica de respuesta en frecuencia de un sistema de control.

El diagramas de Bode es el trazado de la respuesta de frecuencia de un sistema con gráficos de magnitud y fase separados. Las curvas de respuesta en frecuencia, de magnitud y  de fase como funciones de log ω se denominan Diagramas de Bode. El dibujar diagramas de Bode se puede simplificar porque se pueden aproximar como una secuencia de líneas rectas. Las aproximaciones en línea recta simplifican la evaluación de la de magnitud y  de fase de la respuesta en frecuencia.

Cuando elaboramos las gráficas de magnitud y  de fase por separado, la gráfica de la curva de magnitud puede tener el eje de las ordenadas en decibeles (dB) vs. log ω en el eje de las abscisas, donde dB = 20 log M.

Ejemplo

Grafica el Diagrama de Bode para la respuesta en frecuencia del sistema descrito por la función de Transferencia G(s):

null

null

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Bode Diagram

The Bode Diagrams – Plotting of the frequency response of a control system.

The Bode Diagrams is the plotting of the frequency response of a system with separate magnitude and phase plots. The log-magnitude and phase frequency response curves as functions of log ω  are called Bode plots or Bode diagrams. Sketching Bode plots can be simplified because they can be approximated as a sequence of straight lines. Straight-line approximations simplify the evaluation of the magnitude and phase frequency response.

When plotting separate magnitude and phase plots, the magnitude curve can be plotted in decibels (dB) vs. log ω, where dB = 20 log M. Meanwhile, the phase curve is plotted as phase angle vs. log ω.

Example

Plot The Bode Diagram for the frequency response of the characterized by the system Transfer Function G(s):

null

null

In construction…

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Control System Analysis, The Nyquist Criteria

Stability via the Nyquist Diagram – The Nyquist Criteria

The Nyquist criterion can tell us if the system is stable or unstable by determining how many closed-loop poles are in the right half-plane of the closed-loop system of Figure 1:

null

Figure 1

Consider the contour A defined in s-plane of Figure 2:

null

Figure 2

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping; that is, Z:

null

Thus, to reach stability, Z must be equal to zero.

This mapping is called the Nyquist diagram, or Nyquist plot, of G(s)H(s).

To understand the Nyquist criteria for stability, we must first establish four important concepts that will be used during its application:

(1) the relationship between the poles of 1+ G(s)H(s) and the poles of G(s)H(s); (2) the relationship between the zeros of 1+ G(s)H(s) and the poles of the closed-loop transfer function (3) the concept of mapping points; and (4) the concept of mapping contours.

We could demonstrate that the poles of 1+ G(s)H(s) are the same as the
poles of G(s)H(s), the open-loop system, and (2) the zeros of  1+ G(s)H(s) are the
same as the poles of closed-loop transfer function of the system.

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Análisis de sistemas de control, Criterio de Nyquist

Estabilidad vía Nyquist Diagrama – El criterio de Nyquist

The Nyquist criterion can tell us if the system is stable or unstable by determining how many closed-loop poles are in the right half-plane of the closed-loop system of Figure 1:

null

Figure 1

Consider the contour A defined in s-plane of Figure 2:

null

Figure 2

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping; that is, Z:

null

Thus, to reach stability, Z must be equal to zero.

This mapping is called the Nyquist diagram, or Nyquist plot, of G(s)H(s).

To understand the Nyquist criteria for stability, we must first establish four important concepts that will be used during its application:

(1) the relationship between the poles of 1+ G(s)H(s) and the poles of G(s)H(s); (2) the relationship between the zeros of 1+ G(s)H(s) and the poles of the closed-loop transfer function (3) the concept of mapping points; and (4) the concept of mapping contours.

We could demonstrate that the poles of 1+ G(s)H(s) are the same as the
poles of G(s)H(s), the open-loop system, and (2) the zeros of  1+ G(s)H(s) are the
same as the poles of closed-loop transfer function of the system.

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Análisis de sistemas de control, Criterio de Nyquist

El diagrama de Nyquist

El diagrama de Nyquist, también es conocido como “La Traza Polar” de una función de transferencia senoidal G(jω), es una gráfica de la magnitud de G(jω) contra el ángulo de fase de G(jω) en coordenadas polares, conforme ω varía de cero a infinito. Por tanto, El diagrama de Nyquist es el lugar geométrico de los vectores:

null
conforme ω varía de cero a infinito. Observe que, en las gráficas polares, los ángulos de fase son positivos (negativos) si se miden en el sentido contrario de las manecillas del reloj (en el sentido de las manecillas) a partir del eje real positivo.

La siguiente figura muestra un ejemplo de un diagrama de Nyquist:

null

Todos los puntos de la traza polar de G(jω) representan el punto terminal de un vector en un valor determinado de ω. Las proyecciones de G(jω) en los ejes real e imaginario son sus componentes real e imaginaria. La magnitud y el ángulo de fase de G(jω) deben calcularse directamente para cada frecuencia ω con el propósito de construir trazas polares.

Conceptualmente, el diagrama de Nyquist se traza sustituyendo los puntos del “contorno” que encierra el semiplano derecho, en la función G(s)H(s). Este proceso se llama mapeo (mapping):

null

Consideremos el sistema de control a lazo cerrado de la Figura 1:

null

Figura 1

Thus, in the Nyquist diagram, the contour that encloses the right half-plane, shown in Figure 2, can be mapped through the function G(s)H(s), derived from Figure 1,  by substituting points along the contour into G(s)H(s):

null

Figura 2

Entonces, en el Diagrama de Nyquist, el contorno que encierra el semiplano derecho, que se muestra en la Figura 2, puede mapearse a través de la función G(s)H(s), derivada de la Figura 1, sustituyendo puntos a lo largo del contorno en la función G (s) H ( s).

Estabilidad vía el Diagrama de Nyquist

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping; that is, Z:

Si un contorno, A, que rodea todo el semiplano derecho del lugar de raíces del sistema determinado por la ecuación característica 1+ G(s)H(s), se mapea a través de G(s)H(s), entonces el número de polos del sistema a lazo cerrado, Z, en el semiplano derecho, es igual al número de polos del sistema a lazo abierto, P, que están en el semiplano derecho menos el número de revoluciones en sentido antihorario, N, alrededor de -1+j0 del plano complejo ; es decir, Z:

null

Por tanto, para lograr un sistema estable a lazo cerrado, Z debe ser igual a cero.

Este “mapping” es llamado El Diagrama de Nyquist , o Nyquist plot, de G(s)H(s). Para más información y ejemplos ver: Criterio de Nyquist para estabilidad

Ejemplo 

Considere el sistema de control cuyo esquema y diagrama de bloques se muestran en la siguiente Figura 3:

null

Figura 3

Conceptualmente, el diagrama de Nyquist se representa sustituyendo los puntos del contorno que se muestran en la Figura 4(a) en G(s)H(s):

null

Cada Polo y cada Zero de G(s)H(s) que se muestra en la Figura 3(b) es un vector en la Figura 4(a) y 4(b). El vector resultante, , encontrado en cualquier punto a lo largo del contorno, es en general el producto de los vectores Zero dividido por el producto de los vectores Polo (ver Figura 4 (c)). Por lo tanto, la magnitud de la resultante es el producto de las longitudes Zero dividido por el producto de las longitudes de los Polos, y el ángulo de la resultante es la suma de los ángulos Zero menos la suma de los ángulos de los Polos.

null

Figura 4

El mapeo del punto A al punto C también puede explicarse analíticamente. Desde
A a C, la colección de puntos a lo largo del contorno es imaginaria. Por lo tanto, de A a C,
G(s)H(s)=G(s)*1=G(s)=G(jω), o de la Figura 3(b):

null

A frecuencia igual cero:

null

Por lo tanto, el diagrama de Nyquist comienza en 50/3 en un ángulo de . A medida que ω aumenta, la parte real sigue siendo positiva, y la parte imaginaria sigue siendo negativa.

En null la parte real se vuelve negativa. En null, el diagrama de Nyquist cruza el eje real negativo ya que el término imaginario va a cero. El valor real en el cruce del eje, punto Q en la Figura 4 (c), es -0.874. Continuando hacia, la parte real es negativa, y la parte imaginaria es positiva. A frecuencia infinita:

null

o cero a los 90°. aproximadamente.

Alrededor del semicírculo infinito desde el punto C hasta el punto D que se muestra en la Figura 4(b), los vectores giran en sentido horario, cada uno 180°. Por lo tanto, la resultante sufre una rotación en sentido antihorario de 3×180, comenzando en el punto C’ y terminando en el punto D’ de la Figura 4 (c).

Diagrama de Nyquist con Matlab

Considere la siguiente función de transferencia a lazo abierto:

null

Para elaborar el Diagrama de Nyquist, podemos utilizar los siguientes comandos en el command window de Matlab:

>> s=tf(‘s’)

>> G=1/(s^2+0.8*s+1)

>> nyquist(G)

Esta línea de comandos genera la siguiente gráfica:

null

Podemos obtener información sobre puntos de interés en el diagrama de Nyquist haciendo clik una vez sobre el punto de interés en el contorno:

null

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Control System Analysis, The Nyquist Criteria

Sketching the Nyquist Diagram

The Nyquist diagram is also known as “The Polar Trace” of a transfer function G(jω), is a graph of the magnitude of G(jω) against the phase angle of G(jω) in polar coordinates, according to ω variables of zero to infinity. Therefore, The Nyquist diagram is the geometric place of vectors:

null
conforming ω modified from zero to infinity. Note that, in polar graphs, the phase angles are positive (negative) if they are measured counterclockwise (clockwise) from the positive real axis.

The following Figure shows an example of a Nyquist Diagram:

null

All points of the polar trace of G(jω) represent the end point of a vector at a given value of ω. The projections of G(jω) on the real and imaginary axes are their real and imaginary components. The magnitude and phase angle of G(jω) must be calculated directly for each frequency ω in order to construct polar traces.

Conceptually, the Nyquist diagram is plotted by substituting the points
of the contour that encloses the right half-plane into the function G(s)H(s).  This process is called mapping. Next Figure shows the process of mapping:

null

Consider the closed-loop control system of Figure 1:

null

Figure 1

Thus, in the Nyquist diagram, the contour that encloses the right half-plane, shown in Figure 2, can be mapped through the function G(s)H(s), derived from Figure 1,  by substituting points along the contour into G(s)H(s):

null

Figure 2

If a contour, A, that encircles the entire right half-plane of the root-locus of the system determined by the characteristic equation 1+ G(s)H(s), is mapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half-plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1+j0 of the mapping; that is, Z:

null

Thus, Z must be equal to zero to reach stability.

This mapping is called the Nyquist diagram, or Nyquist plot, of G(s)H(s). For more information an examples, see: The Nyquist Criteria

 

Example

Consider the control system whose block diagram and diagram are shown in the following Figure 3:

null

Figure 3

Conceptually, the Nyquist diagram is plotted by substituting the points of the contour shown in Figure 4(a) into G(s)H(s):

null

Each Pole and Zero term of G(s) shown in Figure 3(b) is a vector in Figure 4(a) and 4(b). The resultant vector, , found at any point along the contour is in general the product of the Zero vectors divided by the product of the Pole vectors (see Figure 4(c)). Thus, the magnitude of the resultant is the product of the Zero lengths divided by the product of the Pole lengths, and the angle of the resultant is the sum of the Zero angles minus the sum of the Pole angles.

null

Figure 4

The mapping from point A to point C can also be explained analytically. From
A to C the collection of points along the contour is imaginary. Hence, from A to C,
G(s)H(s)=G(s)*1=G(s)=G(jω), or from Figure 3(b):

nullAt zero frequency:

null

Thus, the Nyquist diagram starts at 50/3 at an angle of 0°. As ω increases the real part remains positive, and the imaginary part remains negative.

At null the real part becomes negative. At null, the Nyquist diagram crosses the negative real axis since the imaginary term goes to zero. The real value at the axis crossing, point Q in Figure 4(c), is -0.874. Continuing toward , the real part is negative, and the imaginary part is positive. At infinite frequency:

nullor approximately zero at 90°.

Around the infinite semicircle from point C to point D shown in Figure 4(b), the vectors rotate clockwise, each by 180°. Hence, the resultant undergoes a counterclockwise rotation of 3×180, starting at point C’ and ending at point D’ of Figure 4(c).

Nyquist diagram with Matlab

Consider the following open loop transfer function:

null

To create the Nyquist Diagram of the system, use the following commands in the command window of Matlab:

>> s=tf(‘s’)

>> G=1/(s^2+0.8*s+1)

>> nyquist(G)

This line of commands yields:

null

We can obtain information of points of interest in the Nyquist Diagram by cliking once over the contour. This yields:

null

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