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
Het signaal x(t) is alleen niet nul tussen t = 2 s en t = 4 s, en h(t) alleen tussen t = 0 s en t = 4 s. Bepaal het tijdstip tend waarop y(t) = x(t) ∗ h(t) eindigt.
x: 2 … 4 sh: 0 … 4 s
tend = s
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een blokgolf schakelt tussen 4 en 0 met periode T = 4 ms (een halve periode op elk niveau). Bepaal de amplitude c5 van zijn fouriercomponent bij 1250 Hz.
0 … 4T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = 31/(s² + 4s + 8) door het kwadraat af te splitsen, en bereken f(0,2).
F(s) = 31/(s² + 4s + 8)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 5y′ + 4y = 3u′ + 11u, 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″ + 5y′ + 4y = 3u′ + 11ut = 1,2 s
g(1.2) =
5.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 40/(s² + 5s + 40) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Vind de dempingsverhouding ζ.
G(s) = 40/(s² + 5s + 40)
ζ =
6.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 45/(s(s + 6)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 45/(s(s + 6))
ts = s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RL-hoogdoorlaatfilter heeft R = 1000 Ω, L = 22 mH. Er wordt een sinusvormige ingang van 72 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.
R = 1000 ΩL = 22 mHf = 72 kHz
φ = °
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 134/(s(s + 2)(s + 10)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.
L(s) = 134/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: tend = 8 s
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).
Begin en einde
tstart = 2 + 0 = 2 s
tend = 4 + 4 = 8 s
Antwoord
tend = 8 s
Antwoord
tend = 8 s
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: c5 = 0,5093
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)|.
Harmonischenummer
f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 1250/250 = 5
Amplitude
c5 = 4·2/(5π) = 0,5093
Antwoord
c5 = 0,5093
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.2) = 4,046
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).
Splits het kwadraat af
s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²
Pas de teller aan
F(s) = (31/2)·2/((s + 2)² + 2²)
Inverse transformatie
f(t) = e−2t·(15,5·sin 2t)
f(0,2) = e−2·0,2·(15,5·sin(2·0,2)) = 4,046
Antwoord
f(0,2) = 4,046
4.Laplacetransformaties
Antwoord: g(1.2) = 0,8059
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) = (3s + 11)/(s² + 5s + 4)
Partieelbreuken
s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 2,667, B = 0,3333
Impulsresponsie
g(t) = 2,667·e−t + 0,3333·e−4t
g(1,2) = 0,8059
Antwoord
g(1,2) = 0,8059
5.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,3953
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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,325) = 0,3953
Resultaat
ζ = 0,3953
Antwoord
ζ = 0,3953
6.Stapresponsie
Antwoord: ts = 1,333 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).
Voor deze lus is ζωₙ = a/2 welke K ook is: een hogere K geeft meer overshoot maar verkort de insteltijd niet.
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: φ = 5,738 °
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 = R/L = 1000/0,022 = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 72000/7234 = 9,953
Fase
φ = 90° − atan(9,953) = 5,738°
Antwoord
φ = 5,738°
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: GM = 5,062 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.