ZEROS POLES
Esercizi svolti › Laplace
Trasformata di Laplace
Da equazione differenziale ad algebra: come trasformare, risolvere e tornare indietro. Cinque esercizi svolti passo passo, a mano, e per ognuno il codice MATLAB per controllare il risultato.
Da salvare: la tabella e le regole
f(t), t ≥ 0 F(s)
1 (gradino) 1/s t 1/s² e−at 1/(s + a)
sin(ωt) ω/(s² + ω²) cos(ωt) s/(s² + ω²) e−at ·f(t) F(s + a)
Linearità. L{a·f + b·g} = a·F(s) + b·G(s) .
Derivata. L{f′} = s·F(s) − f(0) e L{f″} = s²·F(s) − s·f(0) − f′(0) .
Valore finale. Se i poli di s·F(s) stanno a sinistra: f(∞) = lim s→0 s·F(s) .
Valore iniziale. f(0⁺) = lim s→∞ s·F(s) .
Antitrasformata. Si scompone F(s) in fratti semplici e si usa la tabella al contrario.
Esercizio 1 · Trasformata diretta
Trasforma una somma di segnali f(t) = 3e−2t + 5 sin(4t)
Linearità. Si trasforma un termine alla volta: L{f} = 3·L{e⁻²ᵗ} + 5·L{sin 4t} .
Primo termine. L{e⁻²ᵗ} = 1/(s + 2) , quindi diventa 3/(s + 2) .
Secondo termine. L{sin 4t} = 4/(s² + 16) , quindi diventa 20/(s² + 16) .
Risultato: F(s) = 3/(s + 2) + 20/(s² + 16) .
Codice MATLAB per controllare:
Copia syms t s
f = 3*exp(-2*t) + 5*sin(4*t);
F = laplace(f, t, s)F =
3/(s + 2) + 20/(s^2 + 16)
Esercizio 2 · Antitrasformata
Fratti semplici con poli reali F(s) = (5s + 7) / ((s + 1)(s + 2))
Scomposizione. Si cerca F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2) .
Residuo A. Si moltiplica per (s + 1) e si pone s = −1 : A = (5·(−1) + 7)/(−1 + 2) = 2/1 = 2 .
Residuo B. Si moltiplica per (s + 2) e si pone s = −2 : B = (5·(−2) + 7)/(−2 + 1) = (−3)/(−1) = 3 .
Tabella al contrario. 2/(s + 1) → 2e⁻ᵗ e 3/(s + 2) → 3e⁻²ᵗ .
Controllo. f(0⁺) = lim s→∞ s·F(s) = 5 e 2 + 3 = 5 . Torna.
Risultato: f(t) = 2e⁻ᵗ + 3e⁻²ᵗ , per t ≥ 0.
Codice MATLAB per controllare:
Copia num = [5 7];
den = conv([1 1], [1 2]); % (s+1)(s+2)
[r, p, k] = residue(num, den) % residui r, poli pr =
3
2
p =
-2
-1
k =
[]
Ogni residuo va col suo polo: 3 con −2 , 2 con −1 . Con la versione simbolica:
Copia syms s t
f = ilaplace((5*s + 7)/((s + 1)*(s + 2)), s, t)f =
2*exp(-t) + 3*exp(-2*t)
Esercizio 3 · Equazione differenziale
Con condizioni iniziali e ingresso a gradino y″ + 3y′ + 2y = 1(t), y(0) = 0, y′(0) = 1
Trasforma ogni termine. s²Y − s·y(0) − y′(0) = s²Y − 1 , poi 3(sY − y(0)) = 3sY , poi 2Y . A destra 1/s .
Equazione algebrica. (s² + 3s + 2)·Y − 1 = 1/s , quindi (s² + 3s + 2)·Y = 1 + 1/s = (s + 1)/s .
Risolvi per Y. Con s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2) : Y = (s + 1) / (s (s + 1)(s + 2)) . Il fattore (s + 1) si semplifica: Y = 1/(s (s + 2)) .
Fratti semplici. Y = 1/(2s) − 1/(2(s + 2)) .
Antitrasforma. y(t) = 1/2 − (1/2)e⁻²ᵗ .
Controllo. y(0) = 1/2 − 1/2 = 0 . y′(0) = e⁰ = 1 . y(∞) = 1/2 . Tutto coerente.
Risultato: y(t) = (1 − e⁻²ᵗ)/2 .
Codice MATLAB per controllare:
Copia syms y(t)
Dy = diff(y, t);
eq = diff(y, t, 2) + 3*diff(y, t) + 2*y == 1;
cond = [y(0) == 0, Dy(0) == 1];
sol = dsolve(eq, cond)sol =
1/2 - exp(-2*t)/2
Esercizio 4 · Risposta al gradino
Da funzione di trasferimento a segnale G(s) = 10 / (s² + 2s + 10), ingresso gradino unitario
Uscita. Y(s) = G(s)·(1/s) = 10 / (s (s² + 2s + 10)) .
Poli. s² + 2s + 10 = 0 dà s = −1 ± 3j : parte reale negativa, quindi stabile e oscillazione smorzata.
Fratti semplici. Y = 1/s − (s + 2)/(s² + 2s + 10) .
Completa il quadrato. s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 e s + 2 = (s + 1) + 1 . Quindi (s + 2)/((s + 1)² + 9) = (s + 1)/((s + 1)² + 9) + (1/3)·3/((s + 1)² + 9) .
Tabella con traslazione. y(t) = 1 − e⁻ᵗ (cos 3t + (1/3) sin 3t) .
Valore finale. y(∞) = lim s→0 s·Y(s) = 10/10 = 1 : l'uscita si assesta sull'ingresso.
Risultato: y(t) = 1 − e⁻ᵗ (cos 3t + (1/3) sin 3t) , con valore finale 1.
Codice MATLAB per controllare:
Copia G = tf(10, [1 2 10]);
pole(G) % poli
dcgain(G) % valore finale per il gradino
step(G) % grafico della rispostaans =
-1.0000 + 3.0000i
-1.0000 - 3.0000i
ans =
1
Prova tu
Antitrasforma da solo F(s) = (s + 3) / (s (s + 1))
Trova f(t) con i fratti semplici, poi controlla con il valore finale.
Mostra la soluzione
Scomposizione. F = A/s + B/(s + 1) .
Residui. A = (0 + 3)/(0 + 1) = 3 e B = (−1 + 3)/(−1) = −2 .
Antitrasformata. f(t) = 3 − 2e⁻ᵗ .
Controllo. f(∞) = lim s→0 s·F(s) = 3 e f(0) = 3 − 2 = 1 = lim s→∞ s·F(s) .
Come si lega a Routh I poli di G(s) sono i numeri che compaiono negli esponenti: parte reale negativa vuol dire esponenziale che si spegne. Per sapere se tutti i poli stanno a sinistra, senza calcolarli, usa il criterio di Routh .