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) = 4 voor 0 ≤ t < 0.5 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−2tu(t). Bepaal de uitgang y(2) bij t = 2 s, nadat de puls is geëindigd.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−2tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
De ingang x(t) = 2·cos(6t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = 2·e−2tu(t). Bepaal de fase φ van de stationaire uitgang ten opzichte van de ingang, in graden.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(6t)
φ = °
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6)) met partieelbreuken, en bereken f(0,3).
F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 2y′ + 17y = 6u, 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 = 1,2 s. Bepaal g(1,2).
y″ + 2y′ + 17y = 6ut = 1,2 s
g(1.2) =
5.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 158/(s² + 12s + 79) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 158/(s² + 12s + 79)
ts = s
6.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 12)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 20 % overshoot geeft.
G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 20 %
K =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 22 kΩ, C = 2,2 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 1,6 kHz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.
R = 22 kΩC = 2,2 nFf = 1,6 kHz
|H| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 456/(s(s + 8)(s + 10)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 456/(s(s + 8)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y(2) = 0,06294
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).
Uitgang aan het einde van de puls
y(0,5) = (4/2)(1 − e−1) = 1,264
Afname na de puls
y(2) = 1,264·e−2·1,5 = 0,06294
Antwoord
y(2) = 0,06294
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: φ = −71,57 °
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)|.
Frequentierespons
H(jω) = 2/(2 + jω)
Fase bij de ingangsfrequentie
φ = −atan(6/2) = −71,57°
Antwoord
φ = −71,57°
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.3) = 0,4877
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).
Partieelbreuken
F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 30/(5·6) = 1
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5
Inverse transformatie
f(t) = 1 − 6·e−5t + 5·e−6t
Bereken
f(0,3) = 1 − 6·e−5·0,3 + 5·e−6·0,3 = 0,4877
Antwoord
f(0,3) = 0,4877
4.Laplacetransformaties
Antwoord: g(1.2) = −0,4501
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) = 6/(s² + 2s + 17)
Partieelbreuken
s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 4²
G(s) = (6/4)·4/((s + 1)² + 4²)
Impulsresponsie
g(t) = e−t·(1,5·sin 4t)
g(1,2) = −0,4501
Antwoord
g(1,2) = −0,4501
5.Stapresponsie
Antwoord: ts = 0,6667 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).
Vergelijk met de standaardvorm
De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,888) = 0,6751
Resultaat
ζωₙ = 6 → ts ≈ 4/6 = 0,6667 s
Antwoord
ts = 0,6667 s
6.Stapresponsie
Antwoord: K = 173,2
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 + 12s + K)
Dempingsfactor uit de overshoot
ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559
Versterking
ωₙ = 12/(2ζ) = 13,16 rad/s
K = ωₙ² = 173,2
Antwoord
K = 173,2
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: |H| = −0,9228 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.
Kantelfrequentie
ωc = 1/(RC) = 1/(22000·2,2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 1600/3288 = 0,4866
Versterking
|H| = 1/√(1 + 0,4866²) = 0,8992
20·log₁₀(0,8992) = −0,9228 dB
Antwoord
|H| = −0,9228 dB
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: ω180 = 8,944 rad/s
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.