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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
Disegna entrambi i segnali e annota dove ciascuno è non nullo.
Ribalta h e falla scorrere: per ogni istante di uscita, trova l’intervallo in cui i due segnali si sovrappongono.
Moltiplica e somma (discreto) oppure moltiplica e integra (continuo) solo su quella sovrapposizione.
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
L’impulso x(t) = 1 per 0 ≤ t < 3 s (nullo altrove) è applicato a un sistema con risposta impulsiva h(t) = 3 per 0 ≤ t < 4 s (nulla altrove). Trova l’uscita y(1) in t = 1 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
Un sistema obbedisce a y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] e parte a riposo. Trova il campione h[3] della sua risposta impulsiva.
y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Trasformate di LaplaceMedia
F(s) = 8/(s² + 9s + 18). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.
F(s) = 8/(s² + 9s + 18)
A =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
Risolvi y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 7 e y′(0) = −8 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 7y′(0) = −8t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Risposta al gradinoMedia
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 89/(s² + 5s + 89) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 89/(s² + 5s + 89)
ts = s
6.Risposta al gradinoDifficile
Una massa m = 10 kg è appesa a una molla k = 5000 N/m con uno smorzatore viscoso c = 134 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In equilibrio a riposo, viene applicata improvvisamente una forza costante F = 100 N. Trova la sovraelongazione percentuale %OS dello spostamento.
m = 10 kgk = 5000 N/mc = 134 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 21(s + 13)/(s(s + 16)) a ω = 4 rad/s, in gradi.
G(s) = 21(s + 13)/(s(s + 16))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = K/(s(s + 2)(s + 7)). Trova il guadagno K che dà un margine di guadagno di 2 dB.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 7))GM = 2 dB
K =
3Soluzioni
1.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: y(1) = 3
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) = 1·3·1 = 3
Risposta
y(1) = 3
y(t) è un trapezio: sale da 0, resta a 9 e ridiscende a 0 in t = 7 s.
2.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: h[3] = 0,192
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)|.
Itera
h[0] = 3
h[1] = 1,2
h[2] = 0,48
h[3] = 0,192
Risultato
h[3] = 3·(0,4)3 = 0,192
Risposta
h[3] = 0,192
3.Trasformate di Laplace
Risposta: A = 2,667
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 + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)
Regola di copertura
Moltiplica per (s + 3) e poni s = −3: il termine in B si annulla.
A = 8/(s + 6) |s = −3 = 8/3 = 2,667
Risposta
A = 2,667
(B = −2,667, quindi f(t) = 2,667·e−3t − 2,667·e−6t)
4.Trasformate di Laplace
Risposta: y(0.5) = 3,273
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 − 7s − (−8) + 6(sY − 7) + 8Y = 0
Y(s) = (7s + 34)/((s + 2)(s + 4))
Fratti semplici
A = 20/2 = 10
B = 6/(−2) = −3
Risultato
y(t) = 10·e−2t − 3·e−4t
y(0,5) = 3,273
Risposta
y(0,5) = 3,273
Controllo: y(0) = A + B = 7.
5.Risposta al gradino
Risposta: ts = 1,6 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 = 89 → ωₙ = 9,434 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,434) = 0,265
Risultato
ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s
Risposta
ts = 1,6 s
6.Risposta al gradino
Risposta: %OS = 37,28 %
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).
Pulsazione naturale e rapporto di smorzamento
ωₙ = √(k/m) = √(5000/10) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 134/(2·√(5000·10)) = 0,2996
Risultato
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,28 %
Risposta
%OS = 37,28 %
7.Diagrammi di Bode e margini
Risposta: ∠G(jω) = −86,93 °
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.
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.