Segnali e sistemi: pacchetto last-minute

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)t5h(t)t0,51

Un sistema ha la risposta impulsiva h(t) = e−2tu(t). L’ingresso è un gradino x(t) = 5·u(t). Trova l’uscita y(0,2) in t = 0,2 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
5cos(15t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

L’ingresso x(t) = 5·cos(15t) è applicato a un sistema con h(t) = 5·e−10tu(t). Trova la fase φ dell’uscita a regime rispetto all’ingresso, in gradi.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(15t)
φ = °
3.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Trova f(t) per F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5)) con i fratti semplici, e calcola f(0,3).

F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

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).

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

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 78/(s² + 4s + 78) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 78/(s² + 4s + 78)
tp = s
6.Risposta al gradinoDifficile
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s5 %

La risposta al gradino di un sistema del secondo ordine senza zeri mostra una sovraelongazione del 5 %, e il primo picco si verifica a t = 0,1 s. Trova la pulsazione naturale ωn.

%OS = 5 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 22 kΩC = 1 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 22 kΩ, C = 1 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 29 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 22 kΩC = 1 nFf = 29 kHz
|H| = dB
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) = 222/(s(s + 4)(s + 10)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 222/(s(s + 4)(s + 10))
GM = dB

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(0.2) = 0,8242

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).

Convoluzione con un gradino

y(t) = 5·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (5/2)·(1 − e−2t)

Calcola

y(0,2) = 2,5·(1 − e−0,4) = 0,8242

Risposta

y(0,2) = 0,8242
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: φ = −56,31 °

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/(10 + jω)

Fase alla frequenza dell’ingresso

φ = −atan(15/10) = −56,31°

Risposta

φ = −56,31°
3.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.3) = 0,9664

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 50/(4·5) = 2,5
B = 50/((−4)·1) = −12,5
C = 50/((−5)·(−1)) = 10

Antitrasformata

f(t) = 2,5 − 12,5·e−4t + 10·e−5t

Calcola

f(0,3) = 2,5 − 12,5·e−4·0,3 + 10·e−5·0,3 = 0,9664

Risposta

f(0,3) = 0,9664
4.Trasformate di Laplace

Risposta: y(1) = 5,59

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) = 5,59

Risposta

y(1) = 5,59
5.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,3652 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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,832) = 0,2265

Risultato

ωd = 8,832·√(1 − 0,2265²) = 8,602 rad/s → tp = π/ωd = 0,3652 s

Risposta

tp = 0,3652 s
6.Risposta al gradino

Risposta: ωn = 43,41 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).

Fattore di smorzamento

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Frequenza naturale

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,7237 = 43,41 rad/s

Risposta

ωn = 43,41 rad/s
7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: |H| = −12,32 dB

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/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 29000/7234 = 4,009

Guadagno

|H| = 1/√(1 + 4,009²) = 0,242
20·log₁₀(0,242) = −12,32 dB

Risposta

|H| = −12,32 dB
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 8,037 dB

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/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(560/222) = 8,037 dB

Risposta

GM = 8,037 dB

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