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) = 2 voor 0 ≤ t < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 3 voor 0 ≤ t < 4 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(4,5) bij t = 4,5 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een systeem voldoet aan y′(t) + 2·y(t) = 5·x(t). Bepaal zijn impulsresponsie bij t = 0,5 s, h(0,5).
y′ + 2y = 5xt = 0,5 s
h(0.5) =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
F(s) = (6s + 38)/(s² + 13s + 42). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.
F(s) = (6s + 38)/(s² + 13s + 42)
A =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem voldoet aan y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t), met y(0) = 4 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 5 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,2) te bepalen.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 276/(s² + 12s + 92) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.
G(s) = 276/(s² + 12s + 92)
tp = s
6.StapresponsieMoeilijk
Een massa m = 8 kg hangt aan een veer k = 100 N/m met een viskeuze demper c = 17 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 20 N aangelegd. Bepaal het tijdstip tp waarop de uitwijking het grootst is.
m = 8 kgk = 100 N/mc = 17 N·s/mF = 20 N
tp = s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 20 Ω, met L = 50 mH en C = 0,47 µF. Bepaal de middenfrequentie (resonantiefrequentie) f0 in Hz.
R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
f0 = Hz
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 4 dB geeft.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))GM = 4 dB
K =
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y(4.5) = 3
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 ∈ [0,5, 1] → lengte 0,5 s
Integraal
y(4,5) = 2·3·0,5 = 3
Antwoord
y(4,5) = 3
y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 6 en daalt terug naar 0 bij t = 5 s.
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: h(0.5) = 1,839
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)|.
Overdrachtsfunctie
H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 2)
Impulsresponsie
h(t) = 5·e−2tu(t)
h(0,5) = 5·e−1 = 1,839
Antwoord
h(0,5) = 1,839
3.Laplacetransformaties
Antwoord: A = 2
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).
Ontbind de noemer
s² + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)
Afdekregel
Vermenigvuldig met (s + 6) en vul s = −6 in: de B-term valt weg.
A = (6s + 38)/(s + 7) |s = −6 = 2/1 = 2
Antwoord
A = 2
(B = 4, dus f(t) = 2·e−6t + 4·e−7t)
4.Laplacetransformaties
Antwoord: y(0.2) = 4,299
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).
Transformeer de vergelijking
(s² + 11s + 30)·Y(s) = 4s + 44 + 150/s
Y(s) = (4s² + 44s + 150)/(s(s + 5)(s + 6))
Partieelbreuken
A = 150/(5·6) = 5
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5
Resultaat
y(t) = 5 − 6·e−5t + 5·e−6t
y(0,2) = 4,299
Antwoord
y(0,2) = 4,299
Controle: y(0) = A + B + C = 4.
5.Stapresponsie
Antwoord: tp = 0,4198 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).
Eigenfrequentie en dempingsfactor
ωₙ = √(k/m) = √(100/8) = 3,536 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(100·8)) = 0,3005
Resultaat
ωd = 3,372 rad/s
tp = π/ωd = 0,9316 s
Antwoord
tp = 0,9316 s
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: f0 = 1038 Hz
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.
Resonantiefrequentie
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁷) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz
Antwoord
f0 = 1038 Hz
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: K = 204,4
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.