Esercizio - equazione alle differenze del secondo ordine - evoluzione libera, risposta impulsiva e risposta forzata
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Testo (dispense del corso, Es. 11.4A, Es. 11.4B ed Esempi 11.5A, 11.6A, 11.7A, 11.7B). Il sistema LTI a tempo discreto (quanto ) è descritto dall'equazione alle differenze
- Calcolare l'evoluzione libera con condizioni iniziali , .
- Calcolare la risposta impulsiva .
- Calcolare la risposta forzata all'ingresso (gradino discreto di ampiezza , con ).
- Controllare i risultati con i tre metodi del corso (soluzione dell'equazione, risposta impulsiva con segnale fittizio, trasformata zeta) e con la ricorsione numerica.
Teoria usata: Trasformata zeta e sistemi a tempo discretoUn sistema LTI discreto è descritto da un'equazione alle differenze Σ a_i y(n-i) = Σ b_i x(n-i) con condizioni iniziali. L'uscita è evoluzione libera (dalle condizioni iniziali) più risposta forzata gx. Si calcola in tre modi: soluzione dell'equazione, risposta impulsiva con segnale fittizio, trasformata zeta. FIR: memoria finita, sempre stabile; IIR: stabile se tutti i poli hanno modulo minore di 1. In frequenza G(f) = Σ b_i e^{-i2πfi} / Σ a_i e^{-i2πfi}.Trasformata zeta e sistemi a tempo discreto →, Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsivaUna tf lineare e tempo-invariante (LTI, filtro) ha nucleo h(t,u) = g(t-u): l'uscita è la convoluzione y = gx con la risposta impulsiva g (uscita all'impulso ideale nell'origine). Causale se e solo se g è causale; stabile BIBO se e solo se g è assolutamente integrabile (sommabile); reale se e solo se g è reale. Cascata: g = g2g1; parallelo: g1+g2; retroazione: Ge = G/(1+HG) in frequenza.Sistemi lineari tempo-invarianti e risposta impulsiva →, Segnali a tempo discretoUn segnale a tempo discreto è una funzione complessa $s(nT)$ definita sui multipli interi del quanto temporale $T$ (insieme $\mathbb Z(T)$, velocità $F_p=1/T$). Le definizioni sono quelle dei segnali continui con la somma al posto dell'integrale e il quanto $T$ al posto di $dt$: area $\sum T,s(nT)$, energia $\sum T|s(nT)|^2$, convoluzione $\sum T,x(kT)y(nT-kT)$. L'impulso ideale discreto vale $1/T$ nell'origine. Esponenziali e sinusoidi discreti sono periodici solo se $f_0/F_p$ è razionale e hanno frequenza ambigua a meno di multipli di $F_p$. I segnali periodici con periodo $NT$ sono descritti da $N$ valori e si trattano al calcolatore.Segnali a tempo discreto →, ConvoluzioneLa convoluzione $xy(t)=\int x(u),y(t-u),du$ combina due segnali ribaltando e traslando il secondo, moltiplicando e integrando. È commutativa, associativa, lineare; l'area del risultato è il prodotto delle aree; l'estensione è la somma delle estensioni (estremo con estremo); l'impulso $\delta$ è l'elemento neutro; la convoluzione con il gradino integra. Per due segnali periodici di uguale periodo si usa la convoluzione ciclica (integrale su un periodo). È l'operazione del filtraggio: l'uscita di un filtro è la convoluzione dell'ingresso con la risposta impulsiva.Convoluzione →.
Convenzione delle dispense per questo capitolo: l'equazione si scrive , cioè moltiplica e moltiplica il ritardo più lungo. Qui , , . Il polinomio caratteristico è e le soluzioni dell'omogenea sono , con radici di . Con l'impulso ideale è e le somme "con peso " sono somme ordinarie.
(0) Preparazione: ricorsione e polinomio caratteristico
Risolvendo l'equazione rispetto a : È la forma con cui si "fa girare" il sistema un campione alla volta: servono i due valori precedenti e l'ingresso del momento. Per i due valori precedenti sono proprio le condizioni iniziali e .
Il polinomio caratteristico è Si controlla subito: e . Le due soluzioni semplici dell'omogenea sono quindi Sono due sequenze che tendono a zero (moduli e ): infatti per entrambe le radici, che è la condizione di stabilità delle dispense. Il sistema è dunque stabile e ogni transitorio si esaurisce.
(1) Evoluzione libera (Es. 11.4A)
L'evoluzione libera è la soluzione per con ingresso nullo e condizioni iniziali date. La soluzione generale dell'omogenea è e si trovano imponendo e . Valutando in e le due esponenziali diventano , e , (perché , , , ): Si elimina : moltiplicando la prima per si ha , e sommando alla seconda , quindi Dalla prima, , cioè Controllo nella seconda equazione: ✓.
È lineare nelle condizioni iniziali (si annulla se ), come deve essere. Primo controllo con la ricorsione: , che coincide con ✓.
Valori usati nel seguito (quelli dell'Esempio 11.6A): , . Allora e : Dalla ricorsione: ✓.
(2) Risposta impulsiva (Es. 11.4B)
La risposta impulsiva è la risposta forzata (condizioni iniziali nulle) all'impulso ideale , che con vale in e altrove.
Dalla ricorsione, due valori. Con (sistema scarico):
Forma generale. Per l'ingresso è nullo, quindi risolve l'omogenea: . Si impongono i due valori appena calcolati (per e ): Moltiplicando la seconda per : . Dalla prima , che sostituito dà , cioè , e . Il gradino ricorda che è causale. Controlli: ✓; ✓; , e dalla ricorsione ✓.
Grafico interattivo: Risposta impulsiva g(n) = −(1/10)(1/2)^n − (1/15)(−1/3)^n per n ≥ 0: parte da −1/6 ≈ −0,167 e si spegne, perché |z_i| > 1
(3) Risposta forzata al gradino (Es. 11.4B, Es. 11.5A)
Metodo della soluzione dell'equazione. Si seguono i quattro passi delle dispense.
- Soluzione dell'omogenea: .
- Soluzione particolare. Per il calcolo si può "estendere" l'ingresso a tutto l'asse, per ogni : l'uscita per non cambia, perché con condizioni iniziali fissate dipende solo dalla parte causale dell'ingresso. Si cerca una soluzione costante :
- Soluzione generale: .
- Condizioni iniziali nulle (si cerca la risposta forzata): e , cioè e . Sono le due equazioni del punto (1) con , quindi (stesse formule per ) Controllo in : ✓.
Controlli sul valore iniziale: , uguale a dalla ricorsione ✓. Per le due esponenziali si spengono e , il valore "a regime" per ingresso costante (stesso numero della soluzione particolare ).
Controllo con la risposta impulsiva. Poiché e con la convoluzione è la somma , per un gradino Le due somme geometriche (Serie notevoli - geometrica, telescopica, armonicaLe serie di cui si conosce il carattere e da usare come termine di paragone: geometrica (converge a 1/(1-q) se |q|<1), telescopiche (somma b_1 - lim b_n, come Mengoli), armonica generalizzata (1/n^alpha converge se e solo se alpha>1).Serie notevoli - geometrica, telescopica, armonica →) sono e : si ritrova esattamente la formula di ✓. In particolare è il guadagno del sistema in continua.
Grafico interattivo: Risposta forzata al gradino con A0 = 2: y_f(n) = 2·[−1/4 + (1/10)(1/2)^n − (1/60)(−1/3)^n], da −1/3 al valore a regime −A0/4 = −0,5
(4) Risposta completa e controllo incrociato con i tre metodi
Per il principio di sovrapposizione la risposta del sistema è . Per , , generici (Esempio 11.5A): La formula vale già da : infatti la parte forzata, calcolata in e , dà (ad esempio in : ), mentre la parte libera vale e per costruzione.
Per il confronto si usano i dati , , .
Metodo 1 (soluzione dell'equazione, §11.5). È quello dei punti (1) e (3): .
Metodo 2 (risposta impulsiva con segnale fittizio, §11.6). L'evoluzione libera è la risposta forzata a un ingresso fittizio fatto di impulsi, che dipende solo dalle condizioni iniziali. Si ottiene scrivendo la parte causale dell'uscita libera: moltiplicando l'omogenea per , i termini diventano più impulsi che contengono le condizioni iniziali ( e ). Si arriva a Con i dati: . Per linearità e invarianza, l'uscita è fatta con la risposta impulsiva ritardata: Valori: : ✓. : , uguale al valore di del metodo 1: ✓.
Metodo 3 (trasformata zeta, §11.7). Con e la sostituzione che trasforma i polinomi in in polinomi in :
- risposta impulsiva: . Poiché , si ritrova ✓. I valori e sono fuori dal cerchio unitario nella variabile : corrispondono ai poli e della forma usuale in , dentro il cerchio unitario, che è la stessa condizione di stabilità scritta per le radici di .
- risposta forzata al gradino (Esempio 11.7A): , quindi , da cui come sopra ✓.
- evoluzione libera (Esempio 11.7B, formula per condizioni iniziali): . Con , il numeratore è , e (I residui: in vale ; in vale .)
Con i dati dell'Esempio 11.7B (, ) la stessa formula dà e quindi : coincide con la formula generale del punto (1) (, ) e con la ricorsione (, ) ✓.
I tre metodi danno la stessa funzione: scegliere il più comodo (il 2 se la risposta impulsiva è già nota, il 3 con ingressi dotati di trasformata semplice, il 1 con ingressi costanti o sinusoidali).
Grafico interattivo: Uscita completa y = y_ℓ + y_f con A0 = 2, K1 = −1/2, K2 = −2: parte da −3/4, poi tende a −A0/4 = −0,5 (evoluzione libera nulla dopo pochi campioni)
(5) Verifica numerica con Python
Si fa girare la ricorsione con frazioni esatte e si confronta con le formule (non con approssimazioni).
from fractions import Fraction as F
def ric(x, K1, K2, N=12): # y(n) = (y(n-1) + y(n-2) - x(n)) / 6
y = {-2: F(K2), -1: F(K1)}
for n in range(N):
y[n] = (y[n-1] + y[n-2] - x(n)) / 6
return y
A0, K1, K2 = F(2), F(-1, 2), F(-2)
g = ric(lambda n: F(n == 0), 0, 0) # impulso: delta(0) = 1 con T = 1
yf = ric(lambda n: A0, 0, 0) # gradino A0, condizioni nulle
yl = ric(lambda n: 0, K1, K2) # ingresso nullo, K1 e K2
y = ric(lambda n: A0, K1, K2) # tutto insieme
for n in range(12):
assert g[n] == -F(1,10)*F(1,2)**n - F(1,15)*F(-1,3)**n
assert yf[n] == A0*(-F(1,4) + F(1,10)*F(1,2)**n - F(1,60)*F(-1,3)**n)
assert yl[n] == -F(7,20)*F(1,2)**n - F(1,15)*F(-1,3)**n
assert y[n] == yl[n] + yf[n] # sovrapposizione
print("ok", y[0], y[1], float(y[11])) # ok -3/4 -13/24 -0.5000...Risultati (tutte le asserzioni passano, in frazioni esatte; il controllo con , dà , , e per da a la somma cumulata di coincide con ):
| con | con , | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | ||||
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Il segno alternato di e di viene dal modo ; la somma si vede dal limite .
Errori tipici.
- Scambiare la convenzione di (qui moltiplica ): con l'ordine inverso del polinomio si ottengono le radici reciproche e al posto di e , e la stabilità sembra "".
- Imporre le condizioni iniziali in per l'evoluzione libera: sono date in (e la risposta impulsiva si ricava invece dalla ricorsione in ).
- Scrivere le soluzioni dell'omogenea come invece di : con le radici e si otterrebbero esponenziali divergenti e il sistema sembrerebbe instabile.
Vedi anche: Esercizio - corpo che cade nell'atmosfera - equazione differenziale del primo ordine (stessa struttura libera + forzata per un sistema continuo) e, per la materia gemella, Trasformata Z ed equazioni alle differenzeLa trasformata Z, $X(z)=\sum x(n)z^{-n}$, è la versione discreta di Laplace (la TFtd è $X(e^{j\omega})$). Un sistema descritto da un'equazione alle differenze $\sum a_ky(n-k)=\sum b_kx(n-k)$ ha $H(z)=\frac{\sum b_kz^{-k}}{\sum a_kz^{-k}}$ ed è BIBO stabile (se causale) quando tutti i poli stanno dentro il cerchio unitario, $|p|<1$. Cenni.Trasformata Z ed equazioni alle differenze →.
Versione ripasso
- Equazione e polinomio. , quindi . Il polinomio ha radici , ; le soluzioni dell'omogenea sono e , che tendono a zero: sistema stabile.
- Evoluzione libera con , : Con , : , e , come la ricorsione.
- Risposta impulsiva. , dalla ricorsione, e Controllo: .
- Risposta forzata al gradino . Soluzione particolare costante ; con condizioni iniziali nulle: Controllo con la risposta impulsiva: , e , il guadagno in continua.
- Zeta. Con : e danno le stesse formule.
- Sovrapposizione. Con , , : , , e .
- Codice. Ricorsione con
fractions.Fraction: le formule coincidono esattamente per .
Errori tipici.
- Invertire la convenzione di : le radici diventano e e la stabilità sembra opposta.
- Usare invece di : con e il sistema sembrerebbe instabile.
- Imporre le condizioni iniziali in invece che in per l'evoluzione libera.
- Stabilità. Le radici e hanno modulo maggiore di , quindi le soluzioni si spengono: il sistema è stabile.
- Evoluzione libera nei dati dell'Esempio 11.6A. Con , la ricorsione dà e , come la formula.
- Metodo 2, segnale fittizio. Con l'evoluzione libera è .
- Metodo 3, zeta. con ; i residui di sono in e in .
- Dati dell'Esempio 11.7B (, ): , con e .
- Tabella. Con , , : , , (verificati con frazioni esatte).
- Forma chiusa della risposta forzata. per ; il valore iniziale coincide con della ricorsione.
- Valore a regime. Per la forzata tende a , cioè al valore della soluzione particolare costante, .