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 < 1 s (elders nul) wordt aangelegd op een systeem met de impulsresponsie h(t) = 2 voor 0 ≤ t < 2 s (elders nul). Bepaal de uitgang y(0,5) bij t = 0,5 s.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een systeem voldoet aan y′(t) + 5·y(t) = 10·x(t). Bepaal zijn impulsresponsie bij t = 0,2 s, h(0,2).
y′ + 5y = 10xt = 0,2 s
h(0.2) =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 4)) met partieelbreuken, en bereken f(0,6).
F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 17u, 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 = 0,2 s. Bepaal g(0,2).
y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 17ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 96/(s² + 9s + 32) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.
G(s) = 96/(s² + 9s + 32)
σ =
6.StapresponsieMoeilijk
Een serie-RLC-schakeling met R = 85 Ω, L = 500 mH en C = 100 µF wordt op t = 0 aangesloten op een stap van 12 V. De condensator is ongeladen en er loopt voor de stap geen stroom. Bepaal de piek van de condensatorspanning vC,max.
R = 85 ΩL = 500 mHC = 100 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RC-laagdoorlaatfilter heeft R = 3,3 kΩ, C = 47 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 2,1 kHz aangelegd. Bepaal de versterking |H| = |vout/vin| in dB.
R = 3,3 kΩC = 47 nFf = 2,1 kHz
|H| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 70/(s(s + 2)(s + 7)). Bepaal de versterkingsmarge GM in dB.
L(s) = 70/(s(s + 2)(s + 7))
GM = dB
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y(0.5) = 4
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, 0,5] → lengte 0,5 s
Integraal
y(0,5) = 4·2·0,5 = 4
Antwoord
y(0,5) = 4
y(t) is een trapezium: het stijgt vanaf 0, blijft op 8 en daalt terug naar 0 bij t = 3 s.
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: h(0.2) = 3,679
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) = 10/(s + 5)
Impulsresponsie
h(t) = 10·e−5tu(t)
h(0,2) = 10·e−1 = 3,679
Antwoord
h(0,2) = 3,679
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.6) = 4,104
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 + 17)/(s² + 6s + 8)
Partieelbreuken
s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 6,5, B = −4,5
Impulsresponsie
g(t) = 6,5·e−2t − 4,5·e−4t
g(0,2) = 2,335
Antwoord
g(0,2) = 2,335
5.Stapresponsie
Antwoord: σ = −4,5
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 = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·5,657) = 0,7955
Resultaat
σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5
Antwoord
σ = −4,5
6.Stapresponsie
Antwoord: vC,max = 13,13 V
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 = 1/√(LC) = 1/√(0,5·1 × 10⁻⁴) = 141,4 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (85/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,5) = 0,601
Resultaat
%OS = 9,418 %
vC,max = 12·(1 + 0,09418) = 13,13 V
Antwoord
vC,max = 13,13 V
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: |H| = −7,15 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/(3300·4,7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 2100/1026 = 2,046
Versterking
|H| = 1/√(1 + 2,046²) = 0,439
20·log₁₀(0,439) = −7,15 dB
Antwoord
|H| = −7,15 dB
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: GM = 5,105 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.