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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)t2h(t)t1

L’ingresso x(t) = 2·e−5tu(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−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
δ[n]2+h[n]0,5·z⁻¹+

Un sistema obbedisce a y[n] = 0,5·y[n − 1] + 2·x[n] e parte a riposo. Trova il campione h[4] della sua risposta impulsiva.

y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,8f(0,8) = ?

Trova f(t) per F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 6)) con i fratti semplici, e calcola f(0,8).

F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Risolvi y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 6 e y′(0) = −13 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 6y′(0) = −13t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 190/(s² + 7s + 95) 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) = 190/(s² + 7s + 95)
ts = s
6.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+175s(s + 10)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 175/(s(s + 10)). Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino ad anello chiuso, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 175/(s(s + 10))
ts = s
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 100 ΩL = 47 mHvout​

Il filtro passa-alto RL mostrato ha R = 100 Ω, L = 47 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 1,7 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 100 ΩL = 47 mHf = 1,7 kHz
φ = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 3000/(s(s + 20)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 3000/(s(s + 20))
PM = °

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(1) = 0,02316

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−(5 − 4)τ dτ = 2(e−4t − e−5t)/(1)

Calcola

y(1) = 2·(0,01832 − 0,006738)/(1) = 0,02316

Risposta

y(1) = 0,02316
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: h[4] = 0,125

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] = 2
h[1] = 1
h[2] = 0,5
h[3] = 0,25
h[4] = 0,125

Risultato

h[4] = 2·(0,5)4 = 0,125

Risposta

h[4] = 0,125
3.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.8) = 3,854

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 + 1) + C/(s + 6)
A = 50/(1·6) = 8,333
B = 50/((−1)·5) = −10
C = 50/((−6)·(−5)) = 1,667

Antitrasformata

f(t) = 8,333 − 10·e−t + 1,667·e−6t

Calcola

f(0,8) = 8,333 − 10·e−0,8 + 1,667·e−6·0,8 = 3,854

Risposta

f(0,8) = 3,854
4.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.3) = 3,169

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 − 6s − (−13) + 6(sY − 6) + 8Y = 0
Y(s) = (6s + 23)/((s + 2)(s + 4))

Fratti semplici

A = 11/2 = 5,5
B = −1/(−2) = 0,5

Risultato

y(t) = 5,5·e−2t + 0,5·e−4t
y(0,3) = 3,169

Risposta

y(0,3) = 3,169

Controllo: y(0) = A + B = 6.

5.Risposta al gradino

Risposta: ts = 1,143 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 = 95 → ωₙ = 9,747 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,747) = 0,3591

Risultato

ζωₙ = 3,5 → ts ≈ 4/3,5 = 1,143 s

Risposta

ts = 1,143 s
6.Risposta al gradino

Risposta: ts = 0,8 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).

Funzione di trasferimento ad anello chiuso

T(s) = 175/(s² + 10s + 175): ωₙ = 13,23 rad/s, ζ = 0,378

Tempo di assestamento

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,8 s

Risposta

ts = 0,8 s

Per questo anello ζωₙ = a/2 qualunque sia K: aumentare K aumenta la sovraelongazione ma non accorcia il tempo di assestamento.

7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = 11,27 °

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 = R/L = 100/0,047 = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1700/338,6 = 5,02

Fase

φ = 90° − atan(5,02) = 11,27°

Risposta

φ = 11,27°
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 20,68 °

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 + 400ω² − 9 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·9 × 10⁶))/2 = 2807
ωc = 52,98 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(52,98/20) = −159,3°
PM = 180° + ∠L = 20,68°

Risposta

PM = 20,68°

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