Risposta al gradino: esercizi con soluzioni passo passo

Esercizi gratuiti su Risposta al gradino con schemi, suggerimenti e soluzioni svolte complete. Valori nuovi ogni volta, su tre livelli: sistemi del primo ordine, parametri del secondo ordine, sistemi fisici e progetto.

Esercizio gratuitoFacile
+−5 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC​

Un condensatore scarico C = 47 µF viene caricato da un generatore a gradino da 5 V attraverso un resistore R = 4,7 kΩ. Trova la tensione del condensatore vC a t = 220,9 ms.

R = 4,7 kΩC = 47 µFV = 5 Vt = 220,9 ms
V
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Su cosa ti eserciti

  1. Facilesistemi del primo ordine
  2. Mediaparametri del secondo ordine
  3. Difficilesistemi fisici e progetto

Impara Risposta al gradino da zero

Prima di questo: Transitori RC e RL, Trasformate di Laplace

1Che cos’è una risposta al gradino

Un gradino è un ingresso che salta da 0 a un valore costante a t = 0 e poi vi rimane. Pensa ad accendere un riscaldatore, o a premere l’acceleratore e tenerlo premuto.

La risposta al gradino è il modo in cui l’uscita segue. Non può saltare subito: si muove verso un nuovo valore finale y(∞) e vi si assesta.

tyy(∞)ab

La curva a sale in modo regolare e non ha mai sovraelongazione. È un sistema del primo ordine, come un circuito RC o un serbatoio riscaldato.

La curva b ha sovraelongazione, oscilla alcune volte e poi si assesta. È un sistema del secondo ordine sottosmorzato, come la sospensione di un’auto o una massa su una molla.

Il valore finale deriva dal guadagno in continua G(0): un gradino di ampiezza U si assesta a y(∞) = G(0)·U. È il teorema del valore finale delle trasformate di Laplace.

Autoverifica Un sistema G(s) = 3/(2s + 1) riceve un gradino di ampiezza 4. Quanto vale il valore finale y(∞)?
  1. 12
  2. 3
  3. 4
  4. 6

Risposta: 12. G(0) = 3/(0 + 1) = 3, quindi y(∞) = 3·4 = 12. Il valore 4 dimentica il guadagno, 3 dimentica l’ampiezza del gradino, e 6 divide per il 2 di 2s, che sparisce a s = 0.

2Sistemi del primo ordine

Un sistema del primo ordine ha la forma standard qui sotto. K è il guadagno statico e τ la costante di tempo in secondi.

G(s) = K/(τs + 1) y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)

Se G(s) è scritta come b/(s + a), dividi numeratore e denominatore per a. Allora K = b/a e τ = 1/a.

ty(t)K·U0,63·K·Uτ2τ3τ4τ5τ
  • Dopo 1τ l’uscita ha compiuto il 63% della sua variazione, dopo 3τ il 95%, dopo 5τ più del 99%.
  • Il tempo per raggiungere una frazione x del valore finale: t = −τ·ln(1 − x). Per il 90%, t = τ·ln 10 = 2,3τ.
  • Il tempo di salita 10–90% è tr = τ·ln 9 ≈ 2,2τ.
  • Per un circuito RC τ = R·C. Nota che kΩ per µF dà millisecondi.

Se misuri la risposta, puoi ricavare τ al contrario. Se l’uscita ha raggiunto una frazione x al tempo t, allora τ = −t/ln(1 − x).

Esempio svolto

G(s) = 10/(s + 5) riceve un gradino di ampiezza 2 a t = 0. Trova il valore finale e il tempo per raggiungere il 90% di esso.

1

Forma standard

Dividi numeratore e denominatore per 5:

G(s) = 2/(0,2s + 1) ⇒ K = 2, τ = 0,2 s
2

Valore finale

y(∞) = K·U = 2·2 = 4
3

Tempo per il 90%

Risolvi 1 − e−t/τ = 0,9, quindi e−t/τ = 0,1:

t = −τ·ln(0,1) = 0,2·2,303 = 0,461 s
Risposta

y(∞) = 4 e l’uscita raggiunge il 90% dopo t ≈ 0,461 s.

Autoverifica Qual è la costante di tempo di G(s) = 10/(s + 5)?
  1. 0,2 s
  2. 10 s
  3. 2 s
  4. 5 s

Risposta: 0,2 s. Scritta come 2/(0,2s + 1), la costante di tempo è τ = 1/5 = 0,2 s. 5 s confonde τ con a, e 2 è il guadagno K, non un tempo.

3Sistemi del secondo ordine

Un sistema del secondo ordine ha un denominatore quadratico. Confrontalo con la forma standard:

G(s) = K/(s² + 2ζωns + ωn²)
  • Il termine costante è ωn², quindi la pulsazione naturale è ωn = √(termine costante), in rad/s.
  • Il coefficiente di s è 2ζωn, quindi il rapporto di smorzamento è ζ = (coefficiente di s)/(2ωn).
  • Per 0 < ζ < 1 la risposta ha sovraelongazione e oscilla. Un ζ più piccolo significa più sovraelongazione.

Per un gradino unitario il valore finale è G(0) = K/ωn². Cinque numeri descrivono la forma della risposta:

ty(t)y(∞)tp​ymax​%OSts​
ωd = ωn·√(1 − ζ²) tp = π/ωd
%OS = 100·e−ζπ/√(1 − ζ²) ts ≈ 4/(ζωn)
  • ωd è la pulsazione smorzata: la rapidità con cui oscilla la risposta.
  • tp è il tempo di picco, quando l’uscita è più alta. %OS è la sovraelongazione percentuale sopra il valore finale.
  • ts è il tempo di assestamento, dopo il quale l’uscita resta entro il 2% del valore finale.
ReImσjωd​ωn​θ

I due poli sono s = σ ± jωd, con parte reale σ = −ζωn. La loro distanza dall’origine è ωn, e cos θ = ζ.

Autoverifica Un sistema ha il denominatore s² + 4s + 25. Quanto vale il rapporto di smorzamento ζ?
  1. 0,08
  2. 0,4
  3. 0,8
  4. 2

Risposta: 0,4. ωn = √25 = 5, e 2ζωn = 4 dà ζ = 4/(2·5) = 0,4. 0,8 dimentica il 2, 0,08 divide per ωn² invece che per ωn, e 2 è ζωn.

4Il metodo passo dopo passo

  1. Decidi l’ordine: un denominatore di grado 1 è del primo ordine, di grado 2 è del secondo ordine.
  2. Primo ordine: scrivi G(s) come K/(τs + 1) e leggi K e τ.
  3. Secondo ordine: confronta il denominatore con s² + 2ζωns + ωn². Trova prima ωn, poi ζ.
  4. Trova il valore finale y(∞) = G(0)·U.
  5. Applica la formula per ciò che è richiesto: y(t), un tempo, tp, %OS, ts o σ.
  6. Controlla le unità: tempi in secondi, ω in rad/s, e l’angolo nelle formule con e… e π in radianti.

5Un esempio svolto

Questa è una tipica domanda di livello medio. Prova ogni passo prima di aprirlo.

Esempio svolto

G(s) = 16/(s² + 4s + 16) riceve un gradino unitario. Trova ζ, ωn, la sovraelongazione percentuale e il tempo di picco.

1

Frequenza naturale

Il termine costante è ωn² = 16.

ωn = √16 = 4 rad/s
2

Fattore di smorzamento

Il coefficiente di s è 2ζωn = 4.

ζ = 4/(2·4) = 0,5

ζ sta tra 0 e 1, quindi la risposta ha sovraelongazione.

3

Sovraelongazione percentuale

ζπ/√(1 − ζ²) = 0,5·π/√0,75 = 1,814
%OS = 100·e−1,814 = 16,3%
4

Tempo di picco

ωd = 4·√(1 − 0,25) = 3,464 rad/s
tp = π/3,464 = 0,907 s
5

Controlla il risultato

Il valore finale è G(0) = 16/16 = 1, quindi il picco è circa 1,163. La figura della sezione precedente usa questo stesso sistema.

Il tempo di assestamento 4/(ζωn) = 4/2 = 2 s è successivo al picco, come deve essere.

Risposta

ωn = 4 rad/s, ζ = 0,5, %OS ≈ 16,3% e tp ≈ 0,907 s.

6Errori comuni

  • Trattare la salita come lineare. Un’esponenziale raggiunge il 90% dopo 2,3τ, non dopo 0,9τ: usa t = −τ·ln(1 − x).
  • Usare ln(x) invece di ln(1 − x). Il logaritmo prende la parte che ancora manca.
  • Leggere τ = a da b/(s + a). La costante di tempo è 1/a.
  • Usare ωn² come ωn. Prendi la radice quadrata del termine costante.
  • Dimenticare il 2 in 2ζωn, o usare ωn invece di ωd in tp = π/ωd.
  • Dare la sovraelongazione come frazione (0,163) quando la domanda chiede la percentuale (16,3%).
Autoverifica G(s) = 2/(s + 4) riceve un gradino. Quanto tempo impiega l’uscita per raggiungere il 90% del suo valore finale?
  1. 0,026 s
  2. 0,225 s
  3. 0,576 s
  4. 9,21 s

Risposta: 0,576 s. τ = 1/4 = 0,25 s e t = −0,25·ln(0,1) = 0,576 s. 0,225 s tratta la salita come lineare (0,9τ). 0,026 s usa ln(0,9) invece di ln(0,1). 9,21 s usa a = 4 invece di τ.

7Come sono fatte le domande d’esame

  • Facile: sistemi del primo ordine. Trovi y(∞), l’uscita a un dato istante, il tempo per raggiungere una percentuale, τ da un punto misurato, o il tempo di carica di un circuito RC.
  • Medio: parametri del secondo ordine. Da G(s) = K/(s² + a₁s + a₀) trovi ζ, ωn, %OS, tp, ts o la parte reale σ dei poli.
  • Difficile: sistemi fisici e progetto. Un sistema massa–molla–smorzatore o un circuito RLC, oppure ζ e ωn ricavati da una sovraelongazione e da un tempo di picco misurati.

Per una massa m, uno smorzatore c e una molla k, l’equazione m·x″ + c·x′ + k·x = F dà:

ωn = √(k/m) ζ = c/(2√(k·m)) x(∞) = F/k

Per risalire da una sovraelongazione, ricava ζ dalla formula di %OS:

ζ = −ln(OS)/√(π² + ln²(OS)), OS = %OS/100

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
t (s)y(t)y(∞) = ?

Un sistema del primo ordine G(s) = 2/(2s + 1) riceve un ingresso a gradino di ampiezza 2 a t = 0, partendo da fermo. Trova il valore finale y(∞) dell’uscita.

G(s) = 2/(2s + 1)U = 2

Calcola y(∞)

Mostra i suggerimenti
  1. Teorema del valore finale: y(∞) = lim s·G(s)·U/s = G(0)·U.
  2. G(0) è il guadagno in continua.
  3. G(0) = 2.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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).

Guadagno in continua

G(0) = 2

Valore finale

y(∞) = G(0)·U = 2·2 = 4

Risposta

y(∞) = 4
Esempio 2Media
t (s)y(t)3?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 213/(s² + 8s + 71) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.

G(s) = 213/(s² + 8s + 71)

Calcola %OS (%)

Mostra i suggerimenti
  1. Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
  2. ωₙ = √71 = 8,426 rad/s, ζ = 8/(2ωₙ).
  3. ζ = 0,4747.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,426) = 0,4747

Risultato

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,694 = 18,37 %

Risposta

%OS = 18,37 %
Esempio 3Difficile
k = 800 N/mc = 9 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

Una massa m = 2,5 kg è appesa a una molla k = 800 N/m con uno smorzatore viscoso c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In equilibrio a riposo, viene applicata improvvisamente una forza costante F = 10 N. Trova il tempo tp in cui lo spostamento è massimo.

m = 2,5 kgk = 800 N/mc = 9 N·s/mF = 10 N

Calcola tp (s)

Mostra i suggerimenti
  1. Dividi per m: x″ + (c/m)·x′ + (k/m)·x = F/m, quindi ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)).
  2. ωₙ = 17,89 rad/s, ζ = 0,1006.
  3. Lo spostamento finale è F/k = 12,5 mm.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

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 = √(k/m) = √(800/2,5) = 17,89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(800·2,5)) = 0,1006

Risultato

ωd = 17,8 rad/s
tp = π/ωd = 0,1765 s

Risposta

tp = 0,1765 s

Domande e risposte

Risposta al gradino: di cosa si tratta?

Un gradino è un ingresso che salta da 0 a un valore costante a t = 0 e poi vi rimane. Pensa ad accendere un riscaldatore, o a premere l’acceleratore e tenerlo premuto.

La risposta al gradino è il modo in cui l’uscita segue. Non può saltare subito: si muove verso un nuovo valore finale y(∞) e vi si assesta.

Risposta al gradino: come si risolvono gli esercizi passo per passo?

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).

Risposta al gradino: quali sono gli errori più comuni?
  • L’uscita si assesta a K·U, non a U: il guadagno in continua è G(0) = 2.
  • Esprimi la sovraelongazione in percentuale: moltiplica per 100.
  • L’esponente è −ζπ/√(1 − ζ²).
Risposta al gradino: che cosa si esercita?
  • Facile: sistemi del primo ordine
  • Media: parametri del secondo ordine
  • Difficile: sistemi fisici e progetto

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