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 ingang x(t) = 10·e−2tu(t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−4tu(t). Bepaal de uitgang y(1) bij t = 1 s.
x(t) = 10·e−2tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
Een blokgolf schakelt tussen +1 en −1 met periode T = 4 ms (een halve periode op elk niveau). Bepaal de amplitude c7 van zijn fouriercomponent bij 1750 Hz.
±1T = 4 msf = 1750 Hz
c7 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
Bepaal f(t) voor F(s) = (2s + 26)/(s² + 10s + 25) en bereken f(0,1).
F(s) = (2s + 26)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem voldoet aan y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t), met y(0) = 3 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 1 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,1) te bepalen.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 71/(s² + 7s + 71) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de eigenfrequentie ωn in rad/s.
G(s) = 71/(s² + 7s + 71)
ωn = rad/s
6.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 2)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 10 % overshoot geeft.
G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 10 %
K =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 47 kΩ, C = 47 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 36 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.
R = 47 kΩC = 47 nFf = 36 Hz
φ = °
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 240/(s(s + 8)). Bepaal de fasemarge PM in graden.
L(s) = 240/(s(s + 8))
PM = °
3Oplossingen
1.Convolutie en LTI-systemen
Antwoord: y(1) = 0,5851
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).
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 = 1750/250 = 7
Amplitude
c7 = 4·1/(7π) = 0,1819
Antwoord
c7 = 0,1819
3.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.1) = 2,184
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Partieelbreuken
2s + 26 = 2(s + 5) + 16
F(s) = 2/(s + 5) + 16/(s + 5)²
Inverse transformatie
f(t) = 2·e−5t + 16·t·e−5t
f(0,1) = (2 + 16·0,1)·e−5·0,1 = 2,184
Antwoord
f(0,1) = 2,184
4.Laplacetransformaties
Antwoord: y(0.1) = 3,075
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 + 9s + 20)·Y(s) = 3s + 27 + 80/s
Y(s) = (3s² + 27s + 80)/(s(s + 4)(s + 5))
Partieelbreuken
A = 80/(4·5) = 4
B = 20/((−4)·1) = −5
C = 20/((−5)·(−1)) = 4
Resultaat
y(t) = 4 − 5·e−4t + 4·e−5t
y(0,1) = 3,075
Antwoord
y(0,1) = 3,075
Controle: y(0) = A + B + C = 3.
5.Stapresponsie
Antwoord: ωn = 8,426 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).
Vergelijk met de standaardvorm
De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8,426) = 0,4154
Resultaat
ωₙ = 8,426 rad/s
Antwoord
ωn = 8,426 rad/s
6.Stapresponsie
Antwoord: K = 2,862
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 + 2s + K)
Dempingsfactor uit de overshoot
ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912
Versterking
ωₙ = 2/(2ζ) = 1,692 rad/s
K = ωₙ² = 2,862
Antwoord
K = 2,862
7.Bodediagrammen en marges
Antwoord: φ = 63,45 °
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/(47000·4,7 × 10⁻⁸) = 452,7 rad/s
fc = 72,05 Hz → f/fc = 36/72,05 = 0,4997
Fase
φ = 90° − atan(0,4997) = 63,45°
Antwoord
φ = 63,45°
8.Bodediagrammen en marges
Antwoord: PM = 28,89 °
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.