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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)t1h(t)t1

L’ingresso x(t) = 1·e−6tu(t) è applicato a un sistema con h(t) = e−5tu(t). Trova l’uscita y(2) in t = 2 s.

x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
x(t)t (ms)1,6484

Un treno di impulsi ha altezza 4, larghezza dell’impulso 1,6 ms e periodo 4 ms. Trova la sua componente continua (valor medio) c0.

A = 4τ = 1,6 msT = 4 ms
c0 =
3.Trasformate di LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Trova f(t) per F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4)) con i fratti semplici, e calcola f(0,75).

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−61

Un sistema è descritto dall’equazione differenziale y″ + 10y′ + 24y = 4u′ + 19u, con ingresso u(t) e uscita y(t). Trova la sua funzione di trasferimento G(s) = Y(s)/U(s) (condizioni iniziali nulle) e calcola la risposta all’impulso g(t) per t = 0,25 s. Trova g(0,25).

y″ + 10y′ + 24y = 4u′ + 19ut = 0,25 s
g(0.25) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 55/(s² + 3s + 55) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 55/(s² + 3s + 55)
tp = s
6.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+125s(s + 4)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 125/(s(s + 4)). Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino ad anello chiuso, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 125/(s(s + 4))
ts = s
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​R = 2,2 kΩC = 22 nFvout​

Il filtro passa-basso RC mostrato ha R = 2,2 kΩ, C = 22 nF. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 33 kHz. Trova il guadagno |H| = |vout/vin| in dB.

R = 2,2 kΩC = 22 nFf = 33 kHz
|H| = dB
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 120/(s(s + 20)). Trova il margine di fase PM in gradi.

L(s) = 120/(s(s + 20))
PM = °

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(2) = 3,926 × 10⁻⁵

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) = 1e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 1(e−5t − e−6t)/(1)

Calcola

y(2) = 1·(4,54 × 10⁻⁵ − 6,144 × 10⁻⁶)/(1) = 3,926 × 10⁻⁵

Risposta

y(2) = 3,926 × 10⁻⁵
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: c0 = 1,6

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)|.

Rapporto di lavoro

D = 1,6/4 = 0,4

Valor medio

c₀ = 4·0,4 = 1,6

Risposta

c0 = 1,6
3.Trasformate di Laplace

Risposta: f(0.75) = 4,149

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 55/(2·4) = 6,875
B = 55/((−2)·2) = −13,75
C = 55/((−4)·(−2)) = 6,875

Antitrasformata

f(t) = 6,875 − 13,75·e−2t + 6,875·e−4t

Calcola

f(0,75) = 6,875 − 13,75·e−2·0,75 + 6,875·e−4·0,75 = 4,149

Risposta

f(0,75) = 4,149
4.Trasformate di Laplace

Risposta: g(0.25) = 1,11

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).

Funzione di trasferimento

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 19)/(s² + 10s + 24)

Fratti semplici

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = 1,5, B = 2,5

Risposta all’impulso

g(t) = 1,5·e−4t + 2,5·e−6t
g(0,25) = 1,11

Risposta

g(0,25) = 1,11
5.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,4326 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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,416) = 0,2023

Risultato

ωd = 7,416·√(1 − 0,2023²) = 7,263 rad/s → tp = π/ωd = 0,4326 s

Risposta

tp = 0,4326 s
6.Risposta al gradino

Risposta: ts = 2 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) = 125/(s² + 4s + 125): ωₙ = 11,18 rad/s, ζ = 0,1789

Tempo di assestamento

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Risposta

ts = 2 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: |H| = −20,07 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/(2200·2,2 × 10⁻⁸) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 33000/3288 = 10,04

Guadagno

|H| = 1/√(1 + 10,04²) = 0,09916
20·log₁₀(0,09916) = −20,07 dB

Risposta

|H| = −20,07 dB
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: PM = 73,92 °

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 − 14400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·14400))/2 = 33,24
ωc = 5,765 rad/s

Margine di fase

∠L(jωc) = −90° − atan(5,765/20) = −106,1°
PM = 180° + ∠L = 73,92°

Risposta

PM = 73,92°

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