Segnali e sistemi: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Convoluzione e sistemi LTI

Convoluzione discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convoluzione continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Lunghezza e somma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inizio, fine e area
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Gradino in e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema del primo ordine
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Ricorsione del primo ordine
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide attraverso h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Ampiezze della serie di Fourier
onda quadra ±A: 4A/(kπ), k dispari; onda triangolare ±A: 8A/(π²k²), k dispari; treno di impulsi: A·D e (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodo

  1. Disegna entrambi i segnali e annota dove ciascuno è non nullo.
  2. Ribalta h e falla scorrere: per ogni istante di uscita, trova l’intervallo in cui i due segnali si sovrappongono.
  3. Moltiplica e somma (discreto) oppure moltiplica e integra (continuo) solo su quella sovrapposizione.
  4. Controlla il risultato: l’uscita inizia alla somma degli istanti iniziali, finisce alla somma degli istanti finali, e la sua area o somma è il prodotto delle aree o somme degli ingressi.

2Esercizi

1.Convoluzione e sistemi LTIMedia
x(t)t2h(t)t1

L’ingresso x(t) = 2·e−3tu(t) è applicato a un sistema con h(t) = e−4tu(t). Trova l’uscita y(1) in t = 1 s.

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
δ(t)y′ + 0,5y = 5xh(t)

Un sistema obbedisce a y′(t) + 0,5·y(t) = 5·x(t). Trova la sua risposta impulsiva in t = 2 s, h(2).

y′ + 0,5y = 5xt = 2 s
h(2) =
3.Trasformate di LaplaceMedia
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (2s + 36)/(s² + 15s + 56). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−7t + B·e−8t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.

F(s) = (2s + 36)/(s² + 15s + 56)
A =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Risolvi y″ + 5y′ + 4y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 14 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,75).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = 14t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 23/(s² + 4s + 23) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.

G(s) = 23/(s² + 4s + 23)
%OS = %
6.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = K/(s(s + 6)). Trova il guadagno K che dà una risposta al gradino con sovraelongazione del 30 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 30 %
K =
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 3,3 kΩC = 100 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 3,3 kΩ, C = 100 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 1,4 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 3,3 kΩC = 100 nFf = 1,4 kHz
|H| = dB
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,010,010,10,1111010−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 0,4/(s(s + 1)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.

L(s) = 0,4/(s(s + 1))
ωc = rad/s

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(1) = 0,06294

Convoluzione continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Ribalta h, falla scorrere fino alla posizione t e integra il prodotto delle parti sovrapposte. Per segnali causali l’integrale va da 0 a t. Risultati utili: l’area di y è l’area di x per l’area di h; se x dura da t₁ a t₂ e h da t₃ a t₄, y dura da t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Per h(t) = e−atu(t) e un gradino di altezza A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Integrale di convoluzione

y(t) = 2e−4t∫₀ᵗ e−(3 − 4)τ dτ = 2(e−4t − e−3t)/(−1)

Calcola

y(1) = 2·(0,01832 − 0,04979)/(−1) = 0,06294

Risposta

y(1) = 0,06294
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: h(2) = 1,839

Risposta impulsiva e serie di Fourier: la risposta impulsiva h(t) descrive completamente un sistema LTI: per y′ + a·y = b·x è h(t) = b·e−atu(t), e per y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] è h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt passa con guadagno |H(jω)| e fase ∠H(jω), dove H è la trasformata di Fourier di h. Un segnale periodico è una somma di armoniche a k/T: un’onda quadra di ±A ha solo armoniche dispari con ampiezze 4A/(kπ), un’onda triangolare di picco A ha 8A/(π²k²), e un treno di impulsi di altezza A e rapporto di duty D ha il valor medio A·D e le armoniche (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Funzione di trasferimento

H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 0,5)

Risposta all’impulso

h(t) = 5·e−0,5tu(t)
h(2) = 5·e−1 = 1,839

Risposta

h(2) = 1,839
3.Trasformate di Laplace

Risposta: A = 22

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Scomponi il denominatore

s² + 15s + 56 = (s + 7)(s + 8)
F(s) = A/(s + 7) + B/(s + 8)

Regola di copertura

Moltiplica per (s + 7) e poni s = −7: il termine in B si annulla.

A = (2s + 36)/(s + 8) |s = −7 = 22/1 = 22

Risposta

A = 22
(B = −20, quindi f(t) = 22·e−7t − 20·e−8t)
4.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.75) = 3,198

Trasformata di Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt trasforma le derivate in moltiplicazioni per s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Coppie standard: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e una traslazione s → s + σ moltiplica la funzione nel tempo per e−σt. Per antitrasformare una F(s) razionale, scomponila in fratti semplici: il residuo di un polo semplice p è A = [(s − p)·F(s)] in s = p. Teorema del valore finale: f(∞) = lims→0 s·F(s), valido solo quando tutti i poli di s·F(s) giacciono nel semipiano sinistro. Teorema del valore iniziale: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Trasforma l’equazione

s²Y − 2s − 14 + 5(sY − 2) + 4Y = 0
Y(s) = (2s + 24)/((s + 1)(s + 4))

Fratti semplici

A = 22/3 = 7,333
B = 16/(−3) = −5,333

Risultato

y(t) = 7,333·e−t − 5,333·e−4t
y(0,75) = 3,198

Risposta

y(0,75) = 3,198

Controllo: y(0) = A + B = 2.

5.Risposta al gradino

Risposta: %OS = 23,66 %

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Confronta con la forma standard

Il denominatore deve coincidere con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,796) = 0,417

Risultato

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,441 = 23,66 %

Risposta

%OS = 23,66 %
6.Risposta al gradino

Risposta: K = 70,28

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Funzione di trasferimento ad anello chiuso

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Rapporto di smorzamento dalla sovraelongazione

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Guadagno

ωₙ = 6/(2ζ) = 8,383 rad/s
K = ωₙ² = 70,28

Risposta

K = 70,28
7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −9,743 dB

Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.

Frequenza di taglio

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482,3 Hz → f/fc = 1400/482,3 = 2,903

Guadagno

|H| = 1/√(1 + 2,903²) = 0,3257
20·log₁₀(0,3257) = −9,743 dB

Risposta

|H| = −9,743 dB
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ωc = 0,3746 rad/s

Risposta in frequenza: sostituisci s = jω nella funzione di trasferimento. Il modulo in decibel è 20·log₁₀|H(jω)| e la fase è la somma degli angoli dei fattori al numeratore meno quelli dei fattori al denominatore. Un filtro RC o RL del primo ordine ha la frequenza di taglio (−3 dB) a ωc = 1/(RC) oppure R/L, e fc = ωc/(2π); un filtro passa-basso dà |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). Nel diagramma di Bode asintotico (a segmenti) ogni polo piega il modulo verso il basso di 20 dB/decade alla sua frequenza di taglio, ogni zero lo piega verso l’alto di 20 dB/decade, e un integratore 1/s dà −20 dB/decade a tutte le frequenze. Pulsazione di attraversamento del guadagno ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margine di fase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsazione di attraversamento della fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margine di guadagno GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. L’anello chiuso è stabile quando entrambi i margini sono positivi.

Attraversamento del guadagno

ω⁴ + 1ω² − 0,16 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·0,16))/2 = 0,1403
ωc = 0,3746 rad/s

Risposta

ωc = 0,3746 rad/s

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