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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 < 4 s è convoluto con h(t), un triangolo che scende linearmente da 4 in t = 0 a 0 in t = 4 s. Trova l’area Ay sotto y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 1, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
L’ingresso x(t) = 10·cos(4t) è applicato a un sistema con h(t) = 5·e−2tu(t). Trova l’ampiezza Ym dell’uscita a regime.
h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 10cos(4t)
Ym =
3.Trasformate di LaplaceMedia
F(s) = (s + 2)/(s² + 7s + 6). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−t + B·e−6t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.
F(s) = (s + 2)/(s² + 7s + 6)
A =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
Risolvi y″ + 4y′ + 3y = 0 con y(0) = −6 e y′(0) = 10 usando la trasformata di Laplace, e trova y(1,2).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −6y′(0) = 10t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Risposta al gradinoMedia
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 61/(s² + 2s + 61) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.
G(s) = 61/(s² + 2s + 61)
%OS = %
6.Risposta al gradinoDifficile
Un circuito RLC serie con R = 600 Ω, L = 500 mH e C = 2 µF è collegato a un gradino da 12 V a t = 0. Il condensatore è scarico e prima del gradino non circola corrente. Trova la tensione di picco del condensatore vC,max.
R = 600 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
Il filtro passa-alto RC mostrato ha R = 4,7 kΩ, C = 4,7 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 29 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.
R = 4,7 kΩC = 4,7 nFf = 29 kHz
φ = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 96/(s(s + 4)). Trova la pulsazione di attraversamento del guadagno ωc, dove |L(jω)| = 1.
L(s) = 96/(s(s + 4))
ωc = rad/s
3Soluzioni
1.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: Ay = 32
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).
Aree degli ingressi
∫x dt = 1·4 = 4
∫h dt = ½·4·4 = 8
Area dell’uscita
Ay = 4·8 = 32
Risposta
Ay = 32
2.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: Ym = 11,18
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)|.
Risposta in frequenza
H(jω) = 5/(2 + jω)
Guadagno alla frequenza dell’ingresso
|H(j4)| = 5/√(2² + 4²) = 1,118
Ym = 10·1,118 = 11,18
Risposta
Ym = 11,18
3.Trasformate di Laplace
Risposta: A = 0,2
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 + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 6)
Regola di copertura
Moltiplica per (s + 1) e poni s = −1: il termine in B si annulla.
A = (s + 2)/(s + 6) |s = −1 = 1/5 = 0,2
Risposta
A = 0,2
(B = 0,8, quindi f(t) = 0,2·e−t + 0,8·e−6t)
4.Trasformate di Laplace
Risposta: y(1.2) = −1,259
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 − (−6)s − 10 + 4(sY − (−6)) + 3Y = 0
Y(s) = (−6s − 14)/((s + 1)(s + 3))
Fratti semplici
A = −8/2 = −4
B = 4/(−2) = −2
Risultato
y(t) = −4·e−t − 2·e−3t
y(1,2) = −1,259
Risposta
y(1,2) = −1,259
Controllo: y(0) = A + B = −6.
5.Risposta al gradino
Risposta: %OS = 66,66 %
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 = 61 → ωₙ = 7,81 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,81) = 0,128
Risultato
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,4056 = 66,66 %
Risposta
%OS = 66,66 %
6.Risposta al gradino
Risposta: vC,max = 13,14 V
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/√(0,5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (600/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,5) = 0,6
Risultato
%OS = 9,478 %
vC,max = 12·(1 + 0,09478) = 13,14 V
Risposta
vC,max = 13,14 V
7.Diagrammi di Bode e margini
Risposta: φ = 13,95 °
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/(4700·4,7 × 10⁻⁹) = 45269 rad/s
fc = 7205 Hz → f/fc = 29000/7205 = 4,025
Fase
φ = 90° − atan(4,025) = 13,95°
Risposta
φ = 13,95°
8.Diagrammi di Bode e margini
Risposta: ωc = 9,399 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.