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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) = 5 per 0 ≤ t < 2 s è convoluto con h(t), un triangolo che scende linearmente da 1 in t = 0 a 0 in t = 2 s. Trova l’area Ay sotto y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(2) = 0
Ay =
2.Convoluzione e sistemi LTIDifficile
Un sistema obbedisce a y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] e parte a riposo. L’ingresso è il gradino unitario x[n] = u[n]. Trova y[4].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.Trasformate di LaplaceMedia
Trova f(t) per F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2)) con i fratti semplici, e calcola f(0,5).
F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Trasformate di LaplaceDifficile
Risolvi y″ + 9y′ + 18y = 0 con y(0) = 9 e y′(0) = 3 usando la trasformata di Laplace, e trova y(0,2).
y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 9y′(0) = 3t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Risposta al gradinoMedia
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 59/(s² + 4s + 59) e riceve un ingresso a gradino unitario. I poli sono s = σ ± jωd. Trova la parte reale σ.
G(s) = 59/(s² + 4s + 59)
σ =
6.Risposta al gradinoDifficile
Un circuito RLC serie con R = 100 Ω, L = 10 mH e C = 1 µF è collegato a un gradino da 24 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 = 100 ΩL = 10 mHC = 1 µFV = 24 V
tp = ms
7.Diagrammi di Bode e marginiMedia
Trova la fase ∠G(jω) di G(s) = 4(s + 13)/(s(s + 8)) a ω = 0,5 rad/s, in gradi.
G(s) = 4(s + 13)/(s(s + 8))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagrammi di Bode e marginiDifficile
Un anello a retroazione unitaria ha la funzione di trasferimento ad anello aperto L(s) = 170/(s(s + 4)(s + 6)). Trova la pulsazione di attraversamento della fase ω180, dove ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 170/(s(s + 4)(s + 6))
ω180 = rad/s
3Soluzioni
1.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: Ay = 10
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 = 5·2 = 10
∫h dt = ½·2·1 = 1
Area dell’uscita
Ay = 10·1 = 10
Risposta
Ay = 10
2.Convoluzione e sistemi LTI
Risposta: y[4] = 5,813
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
y[0] = 3
y[1] = 4,5
y[2] = 5,25
y[3] = 5,625
y[4] = 5,813
Risultato
y[4] = 3·(1 − (0,5)5)/(1 − 0,5) = 5,813
Risposta
y[4] = 5,813
3.Trasformate di Laplace
Risposta: f(0.5) = 4,257
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 + 2)
A = 55/(1·2) = 27,5
B = 55/((−1)·1) = −55
C = 55/((−2)·(−1)) = 27,5
Antitrasformata
f(t) = 27,5 − 55·e−t + 27,5·e−2t
Calcola
f(0,5) = 27,5 − 55·e−0,5 + 27,5·e−2·0,5 = 4,257
Risposta
f(0,5) = 4,257
4.Trasformate di Laplace
Risposta: y(0.2) = 7,415
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 − 3 + 9(sY − 9) + 18Y = 0
Y(s) = (9s + 84)/((s + 3)(s + 6))
Fratti semplici
A = 57/3 = 19
B = 30/(−3) = −10
Risultato
y(t) = 19·e−3t − 10·e−6t
y(0,2) = 7,415
Risposta
y(0,2) = 7,415
Controllo: y(0) = A + B = 9.
5.Risposta al gradino
Risposta: σ = −2
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 = 59 → ωₙ = 7,681 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,681) = 0,2604
Risultato
σ = −ζωₙ = −4/2 = −2
Risposta
σ = −2
6.Risposta al gradino
Risposta: tp = 0,3628 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/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (100/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,01) = 0,5
Risultato
ωd = 8660 rad/s
tp = π/ωd = 0,3628 ms
Risposta
tp = 0,3628 ms
7.Diagrammi di Bode e margini
Risposta: ∠G(jω) = −91,37 °
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.
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.