esercizio_a
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| esercizio_a [2017/02/07 22:42] – admin | esercizio_a [2017/06/03 12:15] (current) – external edit 127.0.0.1 | ||
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| =====Esercizio===== | =====Esercizio===== | ||
| [{{ : | [{{ : | ||
| - | Lo scopo di questo esercizio è quello di fare un breve riepilogo di diversi metodi per il calcolo della risposta di sistemi lineari mettendo in evidenza le relazioni | + | Lo scopo di questo esercizio è quello di fare un breve riepilogo di diversi metodi per il calcolo della risposta di sistemi lineari mettendo in evidenza le relazioni |
| - | ====Analisi nel dominio del tempo==== | + | ====1. Analisi nel dominio del tempo==== |
| Supponiamo che il problema consista nel determinare la risposta $v_u(t)$ del sistema in Fig. 1 alla tensione di ingresso $v_i(t)$ definita come segue: | Supponiamo che il problema consista nel determinare la risposta $v_u(t)$ del sistema in Fig. 1 alla tensione di ingresso $v_i(t)$ definita come segue: | ||
| Line 8: | Line 8: | ||
| 0 && t< | 0 && t< | ||
| V_I \cos(2\pi f t+\psi_I) && t\geq t^* | V_I \cos(2\pi f t+\psi_I) && t\geq t^* | ||
| - | \end{matrix}\right. \tag{1}$$ | + | \end{matrix}\right. \tag{1.1}$$ |
| Scrivendo l' | Scrivendo l' | ||
| - | $$\frac{v_i-v_u}{R}= C \frac{d v_u}{dt}\tag{2}$$ | + | $$\frac{v_i-v_u}{R}= C \frac{d v_u}{dt}\tag{1.2}$$ |
| - | Come è noto, l' | + | Come è noto, l' |
| $$\left\{\begin{matrix} | $$\left\{\begin{matrix} | ||
| \frac{d v_u}{dt}+\frac{v_u}{RC} =0\\ | \frac{d v_u}{dt}+\frac{v_u}{RC} =0\\ | ||
| v_u(t_{start})=V_{US} | v_u(t_{start})=V_{US} | ||
| - | \end{matrix}\right. \tag{3}$$ | + | \end{matrix}\right. \tag{1.3}$$ |
| - | La soluzione dell' | + | La soluzione dell' |
| - | $$v_u(t)=V_{US} \quad e^{-\frac{t-t_{start}}{\tau}}\tag{4}$$ | + | $$v_u(t)=V_{US} \quad e^{-\frac{t-t_{start}}{\tau}}\tag{1.4}$$ |
| - | dove abbiamo indicato con $\tau$ la quantirà $RC$ che ha le dimensioni di un tempo. Si noti che per $t$ che aumenta, restando comunque inferiore a $t^*$, il modulo di $v_u(t)$ diminuisce. | + | dove abbiamo indicato con $\tau$ la quantirà $RC$ che ha le dimensioni di un tempo. Si noti che per $t$ che aumenta, restando comunque inferiore a $t^*$, il modulo di $v_u(t)$ diminuisce. |
| - | Con queste osservazioni torniamo al problema iniziale. Se immaginamo di aver completato la costruzione del circuito in Fig. 1 ad un tempo $t_{start}$ precedente di molti $\tau$ l' | + | Con queste osservazioni torniamo al problema iniziale. Se immaginamo di aver completato la costruzione del circuito in Fig. 1 ad un tempo $t_{start}$ precedente di molti $\tau$ l' |
| Sulla base delle considerazioni precedenti arriviamo quindi a concludere che la conoscenza dell' | Sulla base delle considerazioni precedenti arriviamo quindi a concludere che la conoscenza dell' | ||
| Line 33: | Line 33: | ||
| \frac{d v_u}{dt}+\frac{v_u}{\tau} =\frac{v_i}{\tau}\\ | \frac{d v_u}{dt}+\frac{v_u}{\tau} =\frac{v_i}{\tau}\\ | ||
| v_u(t^*)=0 | v_u(t^*)=0 | ||
| - | \end{matrix}\right. \tag{5}$$ | + | \end{matrix}\right. \tag{1.5}$$ |
| La soluzione generale dell' | La soluzione generale dell' | ||
| - | $$v_u(t)=A e^{-\frac{t}{\tau}}+v_{uf}(t)\tag{6}$$ | + | $$v_u(t)=A e^{-\frac{t}{\tau}}+v_{uf}(t)\tag{1.6}$$ |
| dove il primo termine si ottiene dalla soluzione dell' | dove il primo termine si ottiene dalla soluzione dell' | ||
| - | $$v_{uf}=B \cos (2\pi f t+\theta_u)\tag{7}.$$ | + | $$v_{uf}(t)=B \cos (2\pi f t+\theta_u)\tag{1.7}.$$ |
| - | I calcoli necessari per ottenere la soluzione procedendo in questo modo non sono particolarmente complicati ma richiedono numerosi passaggi. Si può ottenere lo stesso risultato con molti meno massaggi | + | I calcoli necessari per ottenere la soluzione procedendo in questo modo non sono particolarmente complicati ma richiedono numerosi passaggi. Si può ottenere lo stesso risultato con molti meno passaggi |
| - | $$ \cos(\alpha)=\frac{e^{j\alpha}+e^{-j\alpha}}{2}\tag{8}$$ | + | $$ \cos(\alpha)=\frac{e^{j\alpha}+e^{-j\alpha}}{2}\tag{1.8}$$ |
| Pertanto, la tensione $v_i(t)$ può essere scritta nel modo seguente: | Pertanto, la tensione $v_i(t)$ può essere scritta nel modo seguente: | ||
| - | $$v_i(t)=\frac{1}{2} \left(v^+_i(t)+v^-_i(t)\right)\quad ;\quad v^+_i(t)=V_I e^{+j(2\pi ft +\psi_I)}\quad; | + | $$v_i(t)=\frac{1}{2} \left(v^+_i(t)+v^-_i(t)\right)\quad ;\quad v^+_i(t)=V_I e^{+j(2\pi ft +\psi_I)}\quad; |
| Se siamo in grado di determinare le risposte forzate $v^+_{uf}$ e $v^-_{uf}$ corrispondenti rispettivamente agli ingressi $v^+_i$ e $v^-_i$, per la linearità del problema potremo concludere che deve necessariamente essere: | Se siamo in grado di determinare le risposte forzate $v^+_{uf}$ e $v^-_{uf}$ corrispondenti rispettivamente agli ingressi $v^+_i$ e $v^-_i$, per la linearità del problema potremo concludere che deve necessariamente essere: | ||
| - | $$v_{u_f}=\frac{1}{2}\left(v^+_{uf}+v^-_{uf}\right)\tag{10}$$ | + | $$v_{u_f}=\frac{1}{2}\left(v^+_{uf}+v^-_{uf}\right)\tag{1.10}$$ |
| - | Procediamo quindi con il calcolo di $v^+{uf}$. Vista la forma della $v^+_i(t)$, in analogia con quanto illustrato più sopra (vedi Eq. 8) cerchiamo una soluzione nella forma: | + | Procediamo quindi con il calcolo di $v^+_{uf}$. Vista la forma della $v^+_i(t)$, in analogia con quanto illustrato più sopra (vedi Eq. 1.8), cerchiamo una soluzione nella forma: |
| - | $$v^+_{uf}= B^+e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}\tag{11}$$ | + | $$v^+_{uf}(t)= B^+e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}\tag{1.11}$$ |
| - | con $B^+$ reale e positivo. Sostituendo $v^+_{i}(t)$ e $v^+_{uf}(t)$ nell' | + | con $B^+$ reale e positivo. Sostituendo $v^+_{i}(t)$ e $v^+_{uf}(t)$ nell' |
| - | $$j2\pi f B^+ e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}+\frac{1}{\tau}B^+e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}=\frac{1}{\tau}V_I e^{+j(2\pi ft +\psi_I)}\tag{12}$$ | + | $$j2\pi f B^+ e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}+\frac{1}{\tau}B^+e^{+j(2\pi f t +\theta^+_u)}=\frac{1}{\tau}V_I e^{+j(2\pi ft +\psi_I)}\tag{1.12}$$ |
| L' | L' | ||
| - | $$j2\pi f B^+ e^{j \theta^+_u}e^{j2\pi f t }+\frac{1}{\tau}B^+e^{j \theta^+_u}e^{j2\pi f t }=\frac{1}{\tau}V_I e^{j\psi_I}e^{+j2\pi ft }\tag{13}$$ | + | $$j2\pi f B^+ e^{j \theta^+_u}e^{j2\pi f t }+\frac{1}{\tau}B^+e^{j \theta^+_u}e^{j2\pi f t }=\frac{1}{\tau}V_I e^{j\psi_I}e^{+j2\pi ft }\tag{1.13}$$ |
| - | La riscrittura dell' | + | La riscrittura dell' |
| - | $$(j2\pi f) B^+ e^{j \theta^+_u}+\frac{1}{\tau}B^+e^{j \theta^+_u}=\frac{1}{\tau}V_I e^{j\psi_I}\tag{14}$$ | + | $$(j2\pi f) B^+ e^{j \theta^+_u}+\frac{1}{\tau}B^+e^{j \theta^+_u}=\frac{1}{\tau}V_I e^{j\psi_I}\tag{1.14}$$ |
| - | Orbene, osservando l'Eq. 14, non può sfuggire che essa non fa altro che stabilire una relazione fra i numeri complessi $B^+e^{j\theta^+_u}$ e $V_Ie^{j \psi_I}$ che, essendo nota la frequenza di lavoro, | + | Orbene, osservando l'Eq. 1.14, non può sfuggire che essa non fa altro che stabilire una relazione fra i numeri complessi $B^+e^{j\theta^+_u}$ e $V_Ie^{j \psi_I}$ che, essendo nota la frequenza di lavoro, |
| - | Dall' | + | Dall' |
| - | $$B^+e^{j\theta^+_u}=\frac{1}{1+j2 \pi f \tau}V_I e^{j\psi_I}\tag{15}$$ | + | $$B^+e^{j\theta^+_u}=\frac{1}{1+j2 \pi f \tau}V_I e^{j\psi_I}\tag{1.15}$$ |
| Se definiamo | Se definiamo | ||
| - | $$H(f)=\frac{1}{1+j 2 \pi f\tau}\tag{16}$$ | + | $$H(f)=\frac{1}{1+j 2 \pi f\tau}\tag{1.16}$$ |
| si ha quindi: | si ha quindi: | ||
| - | $$B^+=\left|H(f)\right| V_I\quad; \quad \theta^+_u=\psi_I+\angle H(f)\tag{17}$$ | + | $$B^+=\left|H(f)\right| V_I\quad; \quad \theta^+_u=\psi_I+\angle H(f)\tag{1.17}$$ |
| E' appena il caso di notare che mentre la fase del segnale di uscita dipende dalla fase del segnale di ingresso, lo sfasamento fra uscita e ingresso (la differenza fra la fase dell' | E' appena il caso di notare che mentre la fase del segnale di uscita dipende dalla fase del segnale di ingresso, lo sfasamento fra uscita e ingresso (la differenza fra la fase dell' | ||
| Procedendo in maniera analoga, quando si considera in ingresso la funzione $v^-_i(t)$ si può cercare una soluzione $v^-_{uf}(t)$ nella forma: | Procedendo in maniera analoga, quando si considera in ingresso la funzione $v^-_i(t)$ si può cercare una soluzione $v^-_{uf}(t)$ nella forma: | ||
| - | $$v^-_{uf}= B^-e^{-j(2\pi f t +\theta^-_u)}\tag{17}$$ e si ottiene: | + | $$v^-_{uf}(t)= B^-e^{-j(2\pi f t +\theta^-_u)}\tag{1.18}$$ e si ottiene: |
| - | $$(-j2\pi f) B^- e^{-j \theta^-_u}+\frac{1}{\tau}B^-e^{-j \theta^-_u}=\frac{1}{\tau}V_I e^{-j\psi_I}\tag{18}$$ | + | $$(-j2\pi f) B^- e^{-j \theta^-_u}+\frac{1}{\tau}B^-e^{-j \theta^-_u}=\frac{1}{\tau}V_I e^{-j\psi_I}\tag{1.19}$$ |
| ovvero | ovvero | ||
| - | $$B^-e^{-j\theta^-_u}=\frac{1}{1-j2 \pi f \tau}V_I e^{-j\psi_I}=H^*(f)V_I e^{-j\psi_I}\tag{19}$$ | + | $$B^-e^{-j\theta^-_u}=\frac{1}{1-j2 \pi f \tau}V_I e^{-j\psi_I}=H^*(f)V_I e^{-j\psi_I}\tag{1.20}$$ |
| - | dove il simbolo $(^*)$ indica l' | + | dove il simbolo $(^*)$ indica l' |
| - | Si ha quindi: | + | |
| - | Sfruttando la definizione di $H$ in Eq. 16 si ha: | + | Sfruttando la definizione di $H$ in Eq. 1.16 si ha: |
| - | $$B^-=\left|H(f)^*\right| V_I=\left|H(f)\right| V_I\quad; \quad \theta^-_u=\psi_I-\angle H^*(f)=\psi_I+\angle H(f)\tag{20}$$ | + | $$B^-=\left|H(f)^*\right| V_I=\left|H(f)\right| V_I\quad; \quad \theta^-_u=\psi_I-\angle H^*(f)=\psi_I+\angle H(f)\tag{1.21}$$ |
| - | Usando ora l' | + | Usando ora l' |
| $$v_{uf}(t)=\frac{1}{2}B^+e^{j\theta^+_{u}}e^{j2\pi f t}+B^-e^{-j\theta^-_{u}}e^{-j2\pi f t}= | $$v_{uf}(t)=\frac{1}{2}B^+e^{j\theta^+_{u}}e^{j2\pi f t}+B^-e^{-j\theta^-_{u}}e^{-j2\pi f t}= | ||
| - | V_I |H(f)|\cos(2\pi f t +\psi_i+\angle H(f))\tag{21}.$$ | + | V_I |H(f)|\cos(2\pi f t +\psi_i+\angle H(f))\tag{1.22}.$$ |
| - | Arrivati | + | Arrivati |
| ====Analisi nel dominio di Laplace ==== | ====Analisi nel dominio di Laplace ==== | ||
| + | Ricordiamo che la trasformata di laplace $F(s)=\mathscr{L}\left(f(t)\right)$ di una funzione del tempo $f(t)$ è definita dal seguente integrale (purché esistano valori della variabile complessa $s$ per i quali l' | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | F(s)=\int_{0}^{+\infty}f(t) e^{-st}dt\tag{2.1} | ||
| + | $$ | ||
| + | Si noti che, con la definizione appena data, la funzione trasformata $F(s)$ dipende solo dai valori assunti da $f(t)$ per $t\geq 0$((Se $f(t)$ è una funzione propriamente detta, è irrilevante che l' | ||
| + | |||
| + | Ai fini della soluzione di equazioni diffrenziali (o di sistemi di equazioni differenziali) risultano particolarmente utili le proprietà della trasformata di Laplace quando l' | ||
| + | |||
| + | Supponiamo che sia | ||
| + | |||
| + | $$g(t)=f' | ||
| + | |||
| + | dalla (2.1) otteniamo: | ||
| + | |||
| + | $$\mathscr{L}\left(f' | ||
| + | |||
| + | Sfruttando la seguente indentità (regola di integrazione per parti): | ||
| + | |||
| + | $$f(b)e^{-sb}-f(a)e^{-sa}=\int_{a}^{b}\frac{d \left(f(t)e^{-st}\right)}{dt} dt= | ||
| + | \int_{a}^{b}\frac{d f(t)}{dt} e^{-st}dt-s\int_{a}^{b}f(t)e^{-st}dt\tag{2.3}$$ | ||
| + | e nell' | ||
| + | |||
| + | $$\lim_{t\to\infty}f(t)e^{-st}=0\tag{2.4}$$ | ||
| + | |||
| + | dalla (2.2) si ottiene: | ||
| + | $$G(s)=sF(s)-f(0)\tag{2.5}$$ | ||
| + | |||
| + | In conclusione si può esprimere la trasformata di Laplace della derivata di una funzione come differenza fra la trasformata della funzione moltiplicata per $s$ e il valore della funzione nell' | ||
| + | |||
| + | Supponiamo ora di voler ottenere la trasformata di Laplce di una funzione $f(t)$ ottenuta come integrale di una funzione $g(t)$ nel modo seguente: | ||
| + | $$f(t)=f(0)+\int_{0}^{t} g(\alpha)d\alpha \tag{2.6}$$ | ||
| + | |||
| + | Poiché, come è ovvio dalla definizione, | ||
| + | |||
| + | $$\mathscr{L}\left(f(t)\right)=\mathscr{L}\left(f(0)\right)+\mathscr{L}\left(\int_{0}^{t} g(\alpha)d\alpha \right)\tag{2.7}$$ | ||
| + | |||
| + | Si ottiene: | ||
| + | |||
| + | $$\mathscr{L}\left(f(0)\right)=\int_{0}^{+\infty}f(0) e^{-st}dt=-f(0)\left[ \frac{e^{-st}}{s} \right] | ||
| + | |||
| + | $$ | ||
| + | \mathscr{L}\left(\int_{0}^{t} g(\alpha)d\alpha \right)=\frac{1}{s}\int_{0}^{+\infty}g(t) e^{-st}dt=\frac{G(s)}{s}\tag{2.9}$$ | ||
| + | L' | ||
| + | |||
| + | $$\lim_{t\to\infty}\int_{0}^{t}g(\alpha)d\alpha \quad e^{-st}=0\tag{2.10}$$ | ||
| + | |||
| + | Si ottiene quindi, in definitiva,: | ||
| + | |||
| + | $$\mathscr{L}\left(f(t)\right)=F(s)=\frac{G(s)}{s}+\frac{f(0)}{s}\tag{2.11}$$ | ||
| + | |||
| + | che, come è immediato osservare e come è ovvio che debba essere, non è altro che un diverso modo di scrivere la (2.5). | ||
| + | |||
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