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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)t1

L’impulso x(t) = 1 per 0 ≤ t < 2 s (nullo altrove) è applicato a un sistema con h(t) = e−4tu(t). Trova l’uscita y(3) in t = 3 s, dopo che l’impulso è terminato.

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

Un sistema obbedisce a y′(t) + 1·y(t) = 5·x(t). Trova la sua risposta impulsiva in t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 1y = 5xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Trova f(t) per F(s) = 15/(s(s + 3)(s + 5)) con i fratti semplici, e calcola f(0,3).

F(s) = 15/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t). Parte da fermo (y(0) = 0, y′(0) = 0) e l’ingresso è un gradino u(t) = 5 per t ≥ 0. Usa la trasformata di Laplace per trovare l’uscita y(1,2).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 71/(s² + 12s + 71) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 71/(s² + 12s + 71)
tp = s
6.Risposta al gradinoDifficile
+−10 VR = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 40 Ω, L = 100 mH e C = 22 µF è collegato a un gradino da 10 V a t = 0. Il condensatore è scarico e prima del gradino non circola corrente. Trova la pulsazione naturale non smorzata ωn in rad/s.

R = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µFV = 10 V
ωn = rad/s
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 4,7 kΩC = 10 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 1,7 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 1,7 kHz
φ = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(3) = 0,004577

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).

Uscita alla fine dell’impulso

y(2) = (1/4)(1 − e−8) = 0,2499

Decadimento dopo l’impulso

y(3) = 0,2499·e−4·1 = 0,004577

Risposta

y(3) = 0,004577
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: h(0.1) = 4,524

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 + 1)

Risposta all’impulso

h(t) = 5·e−1tu(t)
h(0,1) = 5·e−0,1 = 4,524

Risposta

h(0,1) = 4,524
3.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.3) = 0,3183

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).

Fratti semplici

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 15/(3·5) = 1
B = 15/((−3)·2) = −2,5
C = 15/((−5)·(−2)) = 1,5

Antitrasformata

f(t) = 1 − 2,5·e−3t + 1,5·e−5t

Calcola

f(0,3) = 1 − 2,5·e−3·0,3 + 1,5·e−5·0,3 = 0,3183

Risposta

f(0,3) = 0,3183
4.Trasformate di Laplace

Risposta: y(1.2) = 6,387

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

Y(s) = 60/(s(s + 1)(s + 6))

Fratti semplici

A = 60/(1·6) = 10
B = 60/((−1)·5) = −12
C = 60/((−6)·(−5)) = 2

Uscite

y(t) = 10 − 12·e−t + 2·e−6t
y(1,2) = 6,387

Risposta

y(1,2) = 6,387
5.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,531 s

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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,426) = 0,7121

Risultato

ωd = 8,426·√(1 − 0,7121²) = 5,916 rad/s → tp = π/ωd = 0,531 s

Risposta

tp = 0,531 s
6.Risposta al gradino

Risposta: ωn = 674,2 rad/s

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2 × 10⁻⁵) = 674,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (40/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,1) = 0,2966

Risultato

ωₙ = 674,2 rad/s

Risposta

ωn = 674,2 rad/s
7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = −26,66 °

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/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 1700/3386 = 0,502

Fase

φ = − atan(0,502) = −26,66°

Risposta

φ = −26,66°
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: K = 643,4

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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7,348 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

Guadagno richiesto

810/K = 102/20 = 1,259
K = 810/1,259 = 643,4

Risposta

K = 643,4

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