Laplace unilatera, funzione di trasferimento e stabilità
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La trasformata bilatera (Trasformata di Laplace - definizione e regione di convergenzaLa trasformata di Laplace (bilatera) $X(s)=\int x(t)e^{-st}dt$, con $s=\sigma+j\omega$, generalizza la TF a segnali che non stanno in $L^1$. Esiste solo nella regione di convergenza (ROC), una striscia verticale ${\sigma_1<\mathrm{Re},s<\sigma_2}$ (semipiano destro se il segnale è causale, sinistro se anticausale): la stessa espressione di $X(s)$ con ROC diverse corrisponde a segnali diversi. La TF è $X(s)$ calcolata sull'asse immaginario, se questo sta nella ROC.Trasformata di Laplace - definizione e regione di convergenza →) tratta segnali su tutto l'asse. Nei problemi fisici invece il sistema "parte" a un certo istante (l'accensione), con uno stato iniziale dato. La versione adatta è la trasformata unilatera.
La trasformata unilatera
L'estremo inferiore è (appena prima di ) per includere un eventuale impulso in . Per un segnale causale coincide con la bilatera. Si ignora il comportamento per (è "il passato", riassunto dallo stato iniziale). La ROC è sempre un semipiano destro limitato dal polo con parte reale maggiore, quindi non si specifica.
Proprietà. Valgono per i segnali causali le stesse regole della bilatera (Proprietà della trasformata di LaplaceLe proprietà della trasformata di Laplace ricalcano quelle di Fourier: linearità, ritardo $\to e^{-st_0}$, modulazione esponenziale $e^{s_0t}x\to X(s-s_0)$, derivata nel tempo $\to sX$, moltiplicazione per $t\to-X'(s)$, integrazione $\to X/s$, convoluzione $\to$ prodotto. Ogni regola dice anche come cambia la ROC.Proprietà della trasformata di Laplace →): linearità, modulazione , moltiplicazione per , convoluzione di segnali causali prodotto, ritardo (con e causale). Cambia la derivata, che introduce il valore iniziale: Dimostrazione. Per parti: (nella ROC il termine all'infinito è nullo). Applicandola due volte per la derivata seconda: . In generale .
Le condizioni iniziali entrano automaticamente nella trasformata, ed è per questo che Laplace risolve direttamente il problema di Cauchy.
Risolvere un problema di Cauchy
Si trasforma l'equazione (Equazioni differenziali lineari a coefficienti costantiUn'EDOLCC $\sum a_ky^{(k)}=\sum b_kx^{(k)}$ descrive molti sistemi fisici (circuiti RC, massa-molla-smorzatore). Le soluzioni dell'omogenea formano uno spazio vettoriale di dimensione $n$ con base $t^he^{\lambda t}$ ($\lambda$ radici del polinomio caratteristico $a(s)$). La soluzione generale è libera (dalle condizioni iniziali) più forzata (dall'ingresso); il sistema LTI causale associato ha funzione di trasferimento $b(s)/a(s)$.Equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti →) termine a termine e si risolve per : dove è un polinomio (di grado ) i cui coefficienti dipendono linearmente da (e, se non è nullo in , dai suoi valori iniziali; qui si assume causale). Si antitrasforma (Antitrasformata di Laplace di funzioni razionaliPer antitrasformare una funzione razionale $X(s)=b(s)/a(s)$ si porta in forma propria con la divisione tra polinomi (resto $\to$ $\delta$ e derivate), si scompone in fratti semplici con il metodo dei limiti (poli semplici), con i termini in $1/(s-p)^k$ (poli multipli) o con $\frac{A(s-\sigma)+B\omega}{(s-\sigma)^2+\omega^2}$ (coppie complesse), e si antitrasforma termine a termine scegliendo causale o anticausale secondo la ROC.Antitrasformata di Laplace di funzioni razionali →).
- Evoluzione libera: uscita con ingresso nullo. Dipende solo dallo stato iniziale; ha poli = radici di (modi del sistema).
- Evoluzione forzata: uscita con stato iniziale nullo. Ha poli di e poli dell'ingresso.
Esempio 1: filtro RC con ingresso gradino e carica iniziale. (con ), . Trasformando: , cioè . Quindi Il termine (transitorio) si spegne e resta il regime permanente : il condensatore si carica alla tensione di ingresso, a prescindere da .
Esempio 2: massa-molla (Equazioni differenziali lineari a coefficienti costantiUn'EDOLCC $\sum a_ky^{(k)}=\sum b_kx^{(k)}$ descrive molti sistemi fisici (circuiti RC, massa-molla-smorzatore). Le soluzioni dell'omogenea formano uno spazio vettoriale di dimensione $n$ con base $t^he^{\lambda t}$ ($\lambda$ radici del polinomio caratteristico $a(s)$). La soluzione generale è libera (dalle condizioni iniziali) più forzata (dall'ingresso); il sistema LTI causale associato ha funzione di trasferimento $b(s)/a(s)$.Equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti →). con , , condizioni , . Trasformando: , quindi Per il primo termine, (verifica: ✓). Antitrasformando: Verificata con la risoluzione simbolica dell'equazione. Se la forzante è alla pulsazione propria () il termine forzato è (polo doppio in ): ampiezza che cresce linearmente, risonanza.
La funzione di trasferimento
Con stato iniziale nullo, con è la trasformata di Laplace della risposta impulsiva del sistema LTI causale associato all'equazione: i coefficienti dell'equazione sono proprio i coefficienti dei polinomi. I poli di sono le radici di non cancellate da uno zero (radice di ). Per la risposta al gradino : .
Esempi: ; ; l'inverso: da si legge l'equazione (tema d'esame settembre 2024).
Collegamento con la risposta in frequenza. Se il sistema è stabile, (Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →).
Dalla coppia ingresso-uscita all'equazione (tipico d'esame, Esercizio 23 · dalla coppia ingresso-uscita all'equazione differenziale (tema d'esame febbraio 2024)). Se si conoscono un ingresso e la corrispondente uscita (causali, stato nullo): , si riduce a frazione e si leggono i coefficienti.
Stabilità BIBO
Un sistema causale con (ridotta ai minimi termini) è BIBO stabile se e solo se (Causalità, stabilità e connessioni dei sistemi LTIPer un sistema LTI le proprietà si leggono sulla risposta impulsiva $h$: causale se $h$ è nulla per $t<0$; reale se $h$ è reale; statico se $h=K\delta$; BIBO stabile se e solo se $h$ è assolutamente integrabile (sommabile nel discreto). Serie e parallelo corrispondono a $h_1*h_2$ e $h_1+h_2$.Causalità, stabilità e connessioni dei sistemi LTI →). In termini di :
Teorema. Il sistema LTI causale con funzione di trasferimento razionale (senza fattori comuni) è BIBO stabile (1) è propria o bipropria () e (2) tutti i poli hanno parte reale strettamente negativa.
Perché. Per si può scrivere (fratti semplici, Antitrasformata di Laplace di funzioni razionaliPer antitrasformare una funzione razionale $X(s)=b(s)/a(s)$ si porta in forma propria con la divisione tra polinomi (resto $\to$ $\delta$ e derivate), si scompone in fratti semplici con il metodo dei limiti (poli semplici), con i termini in $1/(s-p)^k$ (poli multipli) o con $\frac{A(s-\sigma)+B\omega}{(s-\sigma)^2+\omega^2}$ (coppie complesse), e si antitrasforma termine a termine scegliendo causale o anticausale secondo la ROC.Antitrasformata di Laplace di funzioni razionali →), con costante. Il termine è integrabile. Ogni modo con è integrabile (decade esponenzialmente); ogni modo con non lo è (è costante, oscilla senza smorzarsi, cresce). Per compaiono e derivate superiori, che non sono funzioni limitate: l'uscita a un ingresso limitato (un gradino) contiene un impulso, non è limitata.
Casi pratici.
- Poli immaginari puri semplici (es. ): oscillazione non smorzata, il sistema non è BIBO stabile, anche se i modi sono limitati: basta un ingresso a quella pulsazione per avere uscita illimitata (risonanza: ).
- Grado uguale (): la parte reale delle radici decide.
- Cancellazione polo-zero: (tema d'esame) ha poli se (instabile), ma per i poli si cancellano con gli zeri e è stabile. La stabilità si giudica sui poli di dopo le semplificazioni.
Esempi d'esame.
| Poli | Giudizio | |
|---|---|---|
| , | stabile () | |
| stabile | ||
| instabile (polo ) | ||
| non stabile () | ||
| stabile () |
Grafico interattivo: Poli nel piano complesso s (parte reale in ascissa, immaginaria in ordinata): il sistema è BIBO stabile solo se tutti stanno nel semipiano sinistro Re s < 0 (zona colorata); −1 ± 3j sì, ±3j e 0 sono sull'asse immaginario (non stabile), 3 è nel semipiano destro (instabile)
Per il polinomio di secondo grado vale un criterio semplice: radici a parte reale negativa e (coefficienti dello stesso segno). Per esempio ✓, ✗.
Regime transitorio e permanente
Se il sistema è stabile, l'evoluzione libera decade a zero (modi di con ) e, nella forzata, i termini originati dai poli del sistema decadono, mentre restano quelli originati dai poli dell'ingresso. Si distingue quindi:
- transitorio: la parte che si spegne per (modi del sistema);
- regime permanente: la parte che resta, uguale alla risposta a regime di un LTI all'ingresso su tutto l'asse. Per un ingresso costante è ; per è (Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →).
Nell'esempio RC: , , quindi il regime permanente del gradino è ✓.
Errori comuni
- Dimenticare le condizioni iniziali nella trasformata della derivata ().
- Usare la trasformata della derivata del bilatero ( senza termine iniziale) in un problema con stato iniziale non nullo.
- Giudicare la stabilità sulle radici di prima di semplificare i fattori comuni con (o, viceversa, ignorare che con il sistema non è stabile).
- Dire "poli immaginari, quindi stabile perché limitati": serve parte reale strettamente negativa.
- Confondere forzata e libera: la risposta impulsiva è la forzata.
Versione ripasso
Unilatera. , che include un eventuale in . Per i segnali causali coincide con la bilatera.
- Derivate: ; ; in generale .
- Per parti: .
Cauchy. Si trasforma l'equazione: , con dalle condizioni iniziali. Quindi : forzata più libera. La libera ha i poli di e dipende solo dallo stato.
- Es. 1 (RC, ): , . Allora e per . Il transitorio si spegne e resta il regime .
- Es. 2 (massa-molla): , , . Si ottiene , quindi .
- Con ingresso alla pulsazione propria il termine forzato è : ampiezza crescente, cioè risonanza.
Funzione di trasferimento. Con stato nullo , con . I poli sono le radici di non cancellate da zeri. Per il gradino .
- Es.: dà ; da si legge (tema settembre 2024).
- Da una coppia ingresso-uscita causale: , ridotta a frazione, poi si leggono i coefficienti (Esercizio 23 · dalla coppia ingresso-uscita all'equazione differenziale (tema d'esame febbraio 2024)).
- Se il sistema è stabile, (Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidaleGli esponenziali complessi $e^{j\omega t}$ sono autofunzioni dei sistemi LTI stabili: escono moltiplicati per la risposta in frequenza $H(\omega)=\int h(\tau)e^{-j\omega\tau}d\tau$. Per un sistema reale, $A\cos(\omega_0t+\varphi)$ esce come $A|H(\omega_0)|\cos(\omega_0t+\varphi+\arg H(\omega_0))$: la frequenza non cambia, cambiano ampiezza e fase.Risposta in frequenza e risposta a ingresso sinusoidale →).
Stabilità BIBO. Per un sistema causale con senza fattori comuni: stabile e tutti i poli hanno (Causalità, stabilità e connessioni dei sistemi LTIPer un sistema LTI le proprietà si leggono sulla risposta impulsiva $h$: causale se $h$ è nulla per $t<0$; reale se $h$ è reale; statico se $h=K\delta$; BIBO stabile se e solo se $h$ è assolutamente integrabile (sommabile nel discreto). Serie e parallelo corrispondono a $h_1*h_2$ e $h_1+h_2$.Causalità, stabilità e connessioni dei sistemi LTI →).
- Perché: per , modi con , tutti integrabili. Per compaiono e derivate superiori.
- Poli immaginari semplici (es. ): non stabile, perché c'è risonanza.
- Cancellazione polo-zero: con dà , stabile; con il sistema non è stabile.
- Esempi: è stabile (poli , ); è instabile (polo ); non è stabile (poli ); è stabile.
- Per : radici a parte reale negativa e .
Transitorio e regime. Con sistema stabile il transitorio (modi di ) decade e resta il regime permanente: per un ingresso costante, per una sinusoide. Nell'esempio RC , quindi il regime è .
Errori tipici
- Dimenticare nella trasformata della derivata.
- Giudicare la stabilità prima di semplificare i fattori comuni.
- Dire "poli immaginari, quindi stabile perché limitati": serve strettamente.
- Confondere forzata e libera.
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 21 · equazione differenziale, funzione di trasferimento e stabilità (tema d'esame febbraio 2023)
- Esercizio 22 · risposta al gradino e a un coseno (tema d'esame giugno 2023)
- Esercizio 23 · dalla coppia ingresso-uscita all'equazione differenziale (tema d'esame febbraio 2024)
- Esercizio 24 · trovare l'ingresso che produce un'uscita assegnata (tema d'esame febbraio 2026)
Teoria collegata
- Laplace per i modelli I-O - fratti semplici e risposta del sistema
- Sistemi dinamici e modelli ingresso-uscita SISO
- Circuiti con operazionale - sommatore, differenziale, integratore, derivatore
- Funzione di trasferimento e diagrammi di Bode
- Filtri di Butterworth
- Trasformazione bilineare
- Domande di teoria ricorrenti - enunciati e dimostrazioni
- Equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti
- Formulario - trasformate notevoli e proprietà
- Trasformata di Laplace - definizione e regione di convergenza
- Trasformata Z ed equazioni alle differenze
- Sistemi continui descritti da equazioni differenziali