Schets beide signalen en noteer waar elk ervan niet nul is.
Spiegel h en schuif hem: zoek voor elk uitgangstijdstip het bereik waar beide signalen overlappen.
Vermenigvuldig en tel op (discreet) of vermenigvuldig en integreer (continu) over alleen die overlap.
Controleer het resultaat: de uitgang begint bij de som van de starttijden, eindigt bij de som van de eindtijden, en zijn oppervlakte of som is het product van de oppervlakten of sommen van de ingangen.
2Oefenopgaven
1.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
De puls x(t) = 1 voor 0 ≤ t < 2 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 5 voor 0 ≤ t < 4 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(2) bij t = 2 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 2 s
y(2) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een systeem voldoet aan y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] en start in rust. De ingang is de eenheidsstap x[n] = u[n]. Bepaal y[5].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = (5s + 11)/(s² + 8s + 41) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,5).
F(s) = (5s + 11)/(s² + 8s + 41)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 10u, met ingang u(t) en uitgang y(t). Bepaal de overdrachtsfunctie G(s) = Y(s)/U(s) (beginvoorwaarden nul) en bereken de impulsresponsie g(t) bij t = 1 s. Bepaal g(1).
y″ + 4y′ + 3y = 2u′ + 10ut = 1 s
g(1) =
5.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 68/(s² + 5s + 34) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.
G(s) = 68/(s² + 5s + 34)
tp = s
6.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 6)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 25 % overshoot geeft.
G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 25 %
K =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 252/((s + 2)(s + 18)) bij ω = 15 rad/s, in dB.
G(s) = 252/((s + 2)(s + 18))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 85/(s(s + 10)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.
L(s) = 85/(s(s + 10))
ωc = rad/s
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y(2) = 10
Continue convolutie: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegel h, schuif hem naar positie t en integreer het product van de overlappende delen. Voor causale signalen loopt de integraal van 0 tot t. Handige resultaten: de oppervlakte van y is de oppervlakte van x maal die van h; als x duurt van t₁ tot t₂ en h van t₃ tot t₄, dan duurt y van t₁ + t₃ tot t₂ + t₄. Voor h(t) = e−atu(t) en een stap met hoogte A is y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Overlap van de gespiegelde puls
h(t − τ) is de puls van h, gespiegeld en zo verschoven dat hij eindigt bij τ = t.
τ ∈ [0, 2] → lengte 2 s
Integraal
y(2) = 1·5·2 = 10
Antwoord
y(2) = 10
y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 10 en daalt terug naar 0 bij t = 6 s.
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y[5] = 7,875
Impulsresponsie en fourierreeks: de impulsresponsie h(t) beschrijft een LTI-systeem volledig: voor y′ + a·y = b·x is die h(t) = b·e−atu(t), en voor y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] is die h[n] = b·aⁿu[n]. Een sinusoïde cos ωt gaat erdoorheen met versterking |H(jω)| en fase ∠H(jω), waarbij H de fouriertransformatie van h is. Een periodiek signaal is een som van harmonischen bij k/T: een blokgolf van ±A heeft alleen oneven harmonischen met amplitudes 4A/(kπ), een driehoeksgolf met piek A heeft 8A/(π²k²), en een pulstrein met hoogte A en duty cycle D heeft het gemiddelde A·D en de harmonischen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.
Itereren
y[0] = 4
y[1] = 6
y[2] = 7
y[3] = 7,5
y[4] = 7,75
y[5] = 7,875
Resultaat
y[5] = 4·(1 − (0,5)6)/(1 − 0,5) = 7,875
Antwoord
y[5] = 7,875
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.5) = −0,6879
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Overdrachtsfunctie
G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 10)/(s² + 4s + 3)
Partieelbreuken
s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 4, B = −2
Impulsresponsie
g(t) = 4·e−t − 2·e−3t
g(1) = 1,372
Antwoord
g(1) = 1,372
5.Stapresponsie
Antwoord: tp = 0,5964 s
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Gesloten-lusoverdrachtsfunctie
T(s) = K/(s² + 6s + K)
Dempingsfactor uit de overshoot
ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037
Versterking
ωₙ = 6/(2ζ) = 7,431 rad/s
K = ωₙ² = 55,22
Antwoord
K = 55,22
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: |G(jω)| = −2,966 dB
Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.
Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.