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) = 10 voor 0 ≤ t < 3 s wordt geconvolueerd met h(t), een driehoek die lineair daalt van 1 bij t = 0 naar 0 bij t = 4 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 1, h(4) = 0
Ay =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een pulstrein heeft hoogte 2, pulsbreedte 8 ms en periode 20 ms. Bepaal de amplitude c2 van harmonische nummer 2, bij 100 Hz.
A = 2τ = 8 msT = 20 ms
c2 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4)) met partieelbreuken, en bereken f(0,4).
F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 8y′ + 15y = 20u, 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 = 0,4 s. Bepaal g(0,4).
y″ + 8y′ + 15y = 20ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 201/(s² + 3s + 67) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.
G(s) = 201/(s² + 3s + 67)
σ =
6.StapresponsieMoeilijk
De stapresponsie van een tweede-ordesysteem zonder nullen toont 50 % overshoot, en de eerste piek treedt op bij t = 0,2 s. Bepaal de eigenfrequentie ωn.
%OS = 50 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 3,3 kΩ, C = 10 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 48 kHz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.
R = 3,3 kΩC = 10 nFf = 48 kHz
φ = °
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 124/(s(s + 3)(s + 10)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 124/(s(s + 3)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: Ay = 60
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).
Oppervlakten van de ingangen
∫x dt = 10·3 = 30
∫h dt = ½·4·1 = 2
Oppervlakte van de uitgang
Ay = 30·2 = 60
Antwoord
Ay = 60
2.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: c2 = 0,3742
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)|.
Duty cycle
D = 8/20 = 0,4
Harmonischenamplitude
c2 = (2·2/(2π))·|sin(2π·0,4)| = 0,3742
Antwoord
c2 = 0,3742
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.4) = 1,838
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) = 20/(s² + 8s + 15)
Partieelbreuken
s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
A = 10, B = −10
Impulsresponsie
g(t) = 10·e−3t − 10·e−5t
g(0,4) = 1,659
Antwoord
g(0,4) = 1,659
5.Stapresponsie
Antwoord: σ = −1,5
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 = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,185) = 0,1833
Resultaat
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Antwoord
σ = −1,5
6.Stapresponsie
Antwoord: ωn = 16,09 rad/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).
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/(3300·1 × 10⁻⁸) = 30303 rad/s
fc = 4823 Hz → f/fc = 48000/4823 = 9,953
Fase
φ = 90° − atan(9,953) = 5,738°
Antwoord
φ = 5,738°
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: ω180 = 5,477 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.