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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−1tu(t) è applicato a un sistema con h(t) = e−5tu(t). Trova l’uscita y(0,25) in t = 0,25 s.

x(t) = 2·e−1tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
x(t)t (ms)0,4243

Un treno di impulsi ha altezza 3, larghezza dell’impulso 0,4 ms e periodo 2 ms. Trova l’ampiezza c2 dell’armonica di ordine 2, a 1000 Hz.

A = 3τ = 0,4 msT = 2 ms
c2 =
3.Trasformate di LaplaceMedia
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = (5s + 11)/(s² + 4s + 3). La sua antitrasformata ha la forma f(t) = A·e−t + B·e−3t. Trova il coefficiente A con i fratti semplici.

F(s) = (5s + 11)/(s² + 4s + 3)
A =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Risolvi y″ + 8y′ + 12y = 0 con y(0) = 9 e y′(0) = −9 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,6).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 9y′(0) = −9t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 192/(s² + 10s + 64) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 192/(s² + 10s + 64)
tp = s
6.Risposta al gradinoDifficile
+−12 VR = 224 ΩL = 50 mHC = 1 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 224 Ω, L = 50 mH e C = 1 µF è collegato a un gradino da 12 V a t = 0. Il condensatore è scarico e prima del gradino non circola corrente. Trova il tempo tp del primo picco di tensione, in ms.

R = 224 ΩL = 50 mHC = 1 µFV = 12 V
tp = ms
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
vin​L = 2,2 mHR = 220 Ωvout​

Il filtro passa-basso RL mostrato ha R = 220 Ω, L = 2,2 mH. Viene applicato un ingresso sinusoidale di 3,2 kHz. Trova lo sfasamento φ di vout rispetto a vin, in gradi.

R = 220 ΩL = 2,2 mHf = 3,2 kHz
φ = °
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) = 120/(s(s + 2)(s + 10)). Trova il margine di guadagno GM in dB.

L(s) = 120/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB

3Soluzioni

1.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: y(0.25) = 0,2461

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−5t∫₀ᵗ e−(1 − 5)τ dτ = 2(e−5t − e−1t)/(−4)

Calcola

y(0,25) = 2·(0,2865 − 0,7788)/(−4) = 0,2461

Risposta

y(0,25) = 0,2461
2.Convoluzione e sistemi LTI

Risposta: c2 = 0,9082

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 = 0,4/2 = 0,2

Ampiezza dell’armonica

c2 = (2·3/(2π))·|sin(2π·0,2)| = 0,9082

Risposta

c2 = 0,9082
3.Trasformate di Laplace

Risposta: A = 3

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 + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)

Regola di copertura

Moltiplica per (s + 1) e poni s = −1: il termine in B si annulla.

A = (5s + 11)/(s + 3) |s = −1 = 6/2 = 3

Risposta

A = 3
(B = 2, quindi f(t) = 3·e−t + 2·e−3t)
4.Trasformate di Laplace

Risposta: y(0.6) = 3,327

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 − 9s − (−9) + 8(sY − 9) + 12Y = 0
Y(s) = (9s + 63)/((s + 2)(s + 6))

Fratti semplici

A = 45/4 = 11,25
B = 9/(−4) = −2,25

Risultato

y(t) = 11,25·e−2t − 2,25·e−6t
y(0,6) = 3,327

Risposta

y(0,6) = 3,327

Controllo: y(0) = A + B = 9.

5.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,5031 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 = 64 → ωₙ = 8 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8) = 0,625

Risultato

ωd = 8·√(1 − 0,625²) = 6,245 rad/s → tp = π/ωd = 0,5031 s

Risposta

tp = 0,5031 s
6.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,8116 ms

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/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (224/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,05) = 0,5009

Risultato

ωd = 3871 rad/s
tp = π/ωd = 0,8116 ms

Risposta

tp = 0,8116 ms
7.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: φ = −11,37 °

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 = 220/0,0022 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 3200/15915 = 0,2011

Fase

φ = − atan(0,2011) = −11,37°

Risposta

φ = −11,37°
8.Diagrammi di Bode e margini

Risposta: GM = 6,021 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/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Modulo all’attraversamento della fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Margine di guadagno

GM = 20·log₁₀(240/120) = 6,021 dB

Risposta

GM = 6,021 dB

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