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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)t21h(t)t35

L’impulso x(t) = 1 per 0 ≤ t < 2 s (nullo altrove) è applicato a un sistema con risposta impulsiva h(t) = 5 per 0 ≤ t < 3 s (nulla altrove). Trova l’uscita y(1) in t = 1 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 1 s
y(1) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Un sistema obbedisce a y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t). Trova la sua risposta impulsiva in t = 1 s, h(1).

y′ + 4y = 3xt = 1 s
h(1) =
3.Trasformate di LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (3s + 11)/(s² + 9s + 20). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.

F(s) = (3s + 11)/(s² + 9s + 20)
A =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
ReIm5

Un sistema è descritto dall’equazione differenziale y″ + 4y′ + 29y = u′ + 4u, con ingresso u(t) e uscita y(t). Trova la sua funzione di trasferimento G(s) = Y(s)/U(s) (condizioni iniziali nulle) e calcola la risposta all’impulso g(t) per t = 0,6 s. Trova g(0,6).

y″ + 4y′ + 29y = u′ + 4ut = 0,6 s
g(0.6) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)2?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 122/(s² + 8s + 61) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.

G(s) = 122/(s² + 8s + 61)
%OS = %
6.Risposta al gradinoDifficile
k = 5000 N/mc = 60 N·s/mm = 8 kgF = 100 Nx(t)

Una massa m = 8 kg è appesa a una molla k = 5000 N/m con uno smorzatore viscoso c = 60 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In equilibrio a riposo, viene applicata improvvisamente una forza costante F = 100 N. Trova lo spostamento massimo xmax in mm.

m = 8 kgk = 5000 N/mc = 60 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 5

Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 37(s + 10)/(s(s + 11)) a ω = 5 rad/s, in gradi.

G(s) = 37(s + 10)/(s(s + 11))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 32/(s(s + 1)(s + 7)). Trova la pulsazione di attraversamento della fase ω180, dove ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 32/(s(s + 1)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(1) = 5

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).

Sovrapposizione dell’impulso ribaltato

h(t − τ) è l’impulso di h ribaltato e traslato in modo che termini in τ = t.

τ ∈ [0, 1] → lunghezza 1 s

Integrale

y(1) = 1·5·1 = 5

Risposta

y(1) = 5

y(t) è un trapezio: sale da 0, resta a 10 e ridiscende a 0 in t = 5 s.

2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: h(1) = 0,05495

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) = 3/(s + 4)

Risposta all’impulso

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(1) = 3·e−4 = 0,05495

Risposta

h(1) = 0,05495
3.Trasformate di Laplace

Risposta: A = −1

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

Regola di copertura

Moltiplica per (s + 4) e poni s = −4: il termine in B si annulla.

A = (3s + 11)/(s + 5) |s = −4 = −1/1 = −1

Risposta

A = −1
(B = 4, quindi f(t) = −e−4t + 4·e−5t)
4.Trasformate di Laplace

Risposta: g(0.6) = −0,2812

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).

Funzione di trasferimento

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 4)/(s² + 4s + 29)

Fratti semplici

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (2/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Risposta all’impulso

g(t) = e−2t·(cos 5t + 0,4·sin 5t)
g(0,6) = −0,2812

Risposta

g(0,6) = −0,2812
5.Risposta al gradino

Risposta: %OS = 15,36 %

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 = 61 → ωₙ = 7,81 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,81) = 0,5121

Risultato

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,873 = 15,36 %

Risposta

%OS = 15,36 %
6.Risposta al gradino

Risposta: xmax = 32,42 mm

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).

Pulsazione naturale e rapporto di smorzamento

ωₙ = √(k/m) = √(5000/8) = 25 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 60/(2·√(5000·8)) = 0,15

Risultato

xst = F/k = 100/5000 m = 20 mm
%OS = 62,09 %
xmax = 20·(1 + 0,6209) = 32,42 mm

Risposta

xmax = 32,42 mm
7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ∠G(jω) = −87,88 °

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.

Somma gli angoli

∠G = atan(5/10) − 90° − atan(5/11) = 26,57° − 90° − 24,44°

Risultato

∠G(j5) = −87,88°

Risposta

∠G(jω) = −87,88°
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: ω180 = 2,646 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 della fase

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Risposta

ω180 = 2,646 rad/s

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