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Note per Studenti Esercizio - equazione alle differenze del secondo ordine - evoluzione libera, risposta impulsiva e risposta forzata

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 T=1T=1) è descritto dall'equazione alle differenze

y(n−2)+y(n−1)−6 y(n)=x(n).y(n-2)+y(n-1)-6\,y(n)=x(n).

  1. Calcolare l'evoluzione libera con condizioni iniziali y(−1)=K1y(-1)=K_1, y(−2)=K2y(-2)=K_2.
  2. Calcolare la risposta impulsiva g(n)g(n).
  3. Calcolare la risposta forzata all'ingresso x(n)=A0 10(n)x(n)=A_0\,1_0(n) (gradino discreto di ampiezza A0A_0, con 10(0)=11_0(0)=1).
  4. 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 aNy(n−N)+⋯+a1y(n−1)+a0y(n)=x(n)a_N y(n-N)+\dots+a_1y(n-1)+a_0y(n)=x(n), cioè a0a_0 moltiplica y(n)y(n) e aNa_N moltiplica il ritardo più lungo. Qui a2=1a_2=1, a1=1a_1=1, a0=−6a_0=-6. Il polinomio caratteristico è h(z)=aNzN+⋯+a1z+a0h(z)=a_Nz^N+\dots+a_1z+a_0 e le soluzioni dell'omogenea sono zi−nz_i^{-n}, con ziz_i radici di hh. Con T=1T=1 l'impulso ideale è δ(0)=1/T=1\delta(0)=1/T=1 e le somme "con peso TT" sono somme ordinarie.

(0) Preparazione: ricorsione e polinomio caratteristico

Risolvendo l'equazione rispetto a y(n)y(n): y(n)=16 y(n−1)+16 y(n−2)−16 x(n).y(n)=\frac{1}{6}\,y(n-1)+\frac16\,y(n-2)-\frac16\,x(n). 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 n=0n=0 i due valori precedenti sono proprio le condizioni iniziali K1=y(−1)K_1=y(-1) e K2=y(−2)K_2=y(-2).

Il polinomio caratteristico è h(z)=z2+z−6=(z−2)(z+3),z1=2,z2=−3.h(z)=z^2+z-6=(z-2)(z+3),\qquad z_1=2,\quad z_2=-3. Si controlla subito: 22+2−6=02^2+2-6=0 e (−3)2−3−6=0(-3)^2-3-6=0. Le due soluzioni semplici dell'omogenea sono quindi z1−n=(12)n,z2−n=(−3)−n=(−13)n.z_1^{-n}=\left(\tfrac12\right)^n,\qquad z_2^{-n}=(-3)^{-n}=\left(-\tfrac13\right)^n. Sono due sequenze che tendono a zero (moduli 12\tfrac12 e 13\tfrac13): infatti ∣zi∣>1\lvert z_i\rvert>1 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 n≥0n\ge0 con ingresso nullo e condizioni iniziali date. La soluzione generale dell'omogenea è yℓ(n)=α1(12)n+α2(−13)n,y_\ell(n)=\alpha_1\left(\tfrac12\right)^n+\alpha_2\left(-\tfrac13\right)^n, e α1,α2\alpha_1,\alpha_2 si trovano imponendo yℓ(−1)=K1y_\ell(-1)=K_1 e yℓ(−2)=K2y_\ell(-2)=K_2. Valutando in n=−1n=-1 e n=−2n=-2 le due esponenziali diventano 22, −3-3 e 44, 99 (perché (1/2)−1=2(1/2)^{-1}=2, (−1/3)−1=−3(-1/3)^{-1}=-3, (1/2)−2=4(1/2)^{-2}=4, (−1/3)−2=9(-1/3)^{-2}=9): {2α1−3α2=K14α1+9α2=K2.\begin{cases}2\alpha_1-3\alpha_2=K_1\\[2pt]4\alpha_1+9\alpha_2=K_2.\end{cases} Si elimina α2\alpha_2: moltiplicando la prima per 33 si ha 6α1−9α2=3K16\alpha_1-9\alpha_2=3K_1, e sommando alla seconda 10α1=3K1+K210\alpha_1=3K_1+K_2, quindi α1=310K1+110K2.\alpha_1=\frac{3}{10}K_1+\frac1{10}K_2. Dalla prima, 3α2=2α1−K1=610K1+210K2−K1=−410K1+210K23\alpha_2=2\alpha_1-K_1=\frac{6}{10}K_1+\frac2{10}K_2-K_1=-\frac{4}{10}K_1+\frac{2}{10}K_2, cioè α2=−215K1+115K2.\alpha_2=-\frac{2}{15}K_1+\frac1{15}K_2. Controllo nella seconda equazione: 4α1+9α2=1210K1+410K2−1815K1+915K2=K2⋅(0,4+0,6)+K1⋅(1,2−1,2)=K24\alpha_1+9\alpha_2=\frac{12}{10}K_1+\frac{4}{10}K_2-\frac{18}{15}K_1+\frac{9}{15}K_2=K_2\cdot(0{,}4+0{,}6)+K_1\cdot(1{,}2-1{,}2)=K_2 ✓.

yℓ(n)=(310K1+110K2)(12)n+(−215K1+115K2)(−13)n,n≥0\boxed{y_\ell(n)=\left(\tfrac3{10}K_1+\tfrac1{10}K_2\right)\left(\tfrac12\right)^n+\left(-\tfrac2{15}K_1+\tfrac1{15}K_2\right)\left(-\tfrac13\right)^n,\quad n\ge0} È lineare nelle condizioni iniziali (si annulla se K1=K2=0K_1=K_2=0), come deve essere. Primo controllo con la ricorsione: yℓ(0)=α1+α2=16K1+16K2y_\ell(0)=\alpha_1+\alpha_2=\frac{1}{6}K_1+\frac16K_2, che coincide con y(0)=16y(−1)+16y(−2)y(0)=\frac16y(-1)+\frac16y(-2) ✓.

Valori usati nel seguito (quelli dell'Esempio 11.6A): K1=−12K_1=-\frac12, K2=−2K_2=-2. Allora α1=−320−210=−720\alpha_1=-\frac{3}{20}-\frac{2}{10}=-\frac{7}{20} e α2=115−215=−115\alpha_2=\frac1{15}-\frac2{15}=-\frac1{15}: yℓ(n)=−720(12)n−115(−13)n,yℓ(0)=−2160−460=−512.y_\ell(n)=-\frac{7}{20}\left(\tfrac12\right)^n-\frac1{15}\left(-\tfrac13\right)^n,\qquad y_\ell(0)=-\frac{21}{60}-\frac4{60}=-\frac5{12}. Dalla ricorsione: y(0)=16(−12−2)=−512y(0)=\frac16\left(-\frac12-2\right)=-\frac5{12} ✓.

(2) Risposta impulsiva (Es. 11.4B)

La risposta impulsiva g(n)g(n) è la risposta forzata (condizioni iniziali nulle) all'impulso ideale x(n)=δ(n)x(n)=\delta(n), che con T=1T=1 vale 11 in n=0n=0 e 00 altrove.

Dalla ricorsione, due valori. Con g(−1)=g(−2)=0g(-1)=g(-2)=0 (sistema scarico): g(0)=16[g(−1)+g(−2)−δ(0)]=−16,g(1)=16[g(0)+g(−1)−0]=−136.g(0)=\tfrac16\left[g(-1)+g(-2)-\delta(0)\right]=-\tfrac16,\qquad g(1)=\tfrac16\left[g(0)+g(-1)-0\right]=-\tfrac1{36}.

Forma generale. Per n≥1n\ge1 l'ingresso è nullo, quindi gg risolve l'omogenea: g(n)=β1(1/2)n+β2(−1/3)ng(n)=\beta_1(1/2)^n+\beta_2(-1/3)^n. Si impongono i due valori appena calcolati (per n=0n=0 e n=1n=1): {β1+β2=−1612β1−13β2=−136.\begin{cases}\beta_1+\beta_2=-\frac16\\[2pt]\frac12\beta_1-\frac13\beta_2=-\frac1{36}.\end{cases} Moltiplicando la seconda per 66: 3β1−2β2=−163\beta_1-2\beta_2=-\frac16. Dalla prima β1=−16−β2\beta_1=-\frac16-\beta_2, che sostituito dà −12−3β2−2β2=−16-\frac12-3\beta_2-2\beta_2=-\frac16, cioè −5β2=13-5\beta_2=\frac13, β2=−115\beta_2=-\frac1{15} e β1=−16+115=−110\beta_1=-\frac16+\frac1{15}=-\frac1{10}. g(n)=[−110(12)n−115(−13)n]10(n)\boxed{g(n)=\left[-\tfrac1{10}\left(\tfrac12\right)^n-\tfrac1{15}\left(-\tfrac13\right)^n\right]1_0(n)} Il gradino 10(n)1_0(n) ricorda che gg è causale. Controlli: g(0)=−110−115=−16g(0)=-\frac1{10}-\frac1{15}=-\frac16 ✓; g(1)=−120+145=−9+4180=−136g(1)=-\frac1{20}+\frac1{45}=\frac{-9+4}{180}=-\frac1{36} ✓; g(2)=−140−1135=−7216g(2)=-\frac1{40}-\frac1{135}=-\frac7{216}, e dalla ricorsione g(2)=16(g(1)+g(0))=16(−136−636)=−7216g(2)=\frac16\left(g(1)+g(0)\right)=\frac16\left(-\frac1{36}-\frac6{36}\right)=-\frac7{216} ✓.

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 x(n)=A0 10(n)x(n)=A_0\,1_0(n) (Es. 11.4B, Es. 11.5A)

Metodo della soluzione dell'equazione. Si seguono i quattro passi delle dispense.

  1. Soluzione dell'omogenea: yh(n)=α1(1/2)n+α2(−1/3)ny_h(n)=\alpha_1(1/2)^n+\alpha_2(-1/3)^n.
  2. Soluzione particolare. Per il calcolo si può "estendere" l'ingresso a tutto l'asse, x(n)=A0x(n)=A_0 per ogni nn: l'uscita per n≥0n\ge0 non cambia, perché con condizioni iniziali fissate dipende solo dalla parte causale dell'ingresso. Si cerca una soluzione costante yp=βy_p=\beta: β+β−6β=A0 ⇒ −4β=A0 ⇒ β=−A04.\beta+\beta-6\beta=A_0\ \Rightarrow\ -4\beta=A_0\ \Rightarrow\ \beta=-\frac{A_0}{4}.
  3. Soluzione generale: y(n)=−A04+α1(1/2)n+α2(−1/3)ny(n)=-\frac{A_0}4+\alpha_1(1/2)^n+\alpha_2(-1/3)^n.
  4. Condizioni iniziali nulle (si cerca la risposta forzata): y(−1)=−A04+2α1−3α2=0y(-1)=-\frac{A_0}4+2\alpha_1-3\alpha_2=0 e y(−2)=−A04+4α1+9α2=0y(-2)=-\frac{A_0}4+4\alpha_1+9\alpha_2=0, cioè 2α1−3α2=A042\alpha_1-3\alpha_2=\frac{A_0}4 e 4α1+9α2=A044\alpha_1+9\alpha_2=\frac{A_0}4. Sono le due equazioni del punto (1) con K1=K2=A04K_1=K_2=\frac{A_0}{4}, quindi (stesse formule per α1,α2\alpha_1,\alpha_2) α1=(310+110)A04=A010,α2=(−215+115)A04=−A060.\alpha_1=\left(\tfrac3{10}+\tfrac1{10}\right)\tfrac{A_0}4=\tfrac{A_0}{10},\qquad\alpha_2=\left(-\tfrac2{15}+\tfrac1{15}\right)\tfrac{A_0}4=-\tfrac{A_0}{60}. Controllo in n=−1n=-1: −A04+2A010+3A060=−15+12+360A0=0-\frac{A_0}{4}+\frac{2A_0}{10}+\frac{3A_0}{60}=\frac{-15+12+3}{60}A_0=0 ✓.

yf(n)=A0[−14+110(12)n−160(−13)n]10(n)\boxed{y_f(n)=A_0\left[-\frac14+\frac1{10}\left(\tfrac12\right)^n-\frac1{60}\left(-\tfrac13\right)^n\right]1_0(n)} Controlli sul valore iniziale: yf(0)=A0(−1560+660−160)=−A06y_f(0)=A_0\left(-\frac{15}{60}+\frac{6}{60}-\frac1{60}\right)=-\frac{A_0}6, uguale a −16x(0)-\frac16x(0) dalla ricorsione ✓. Per n→∞n\to\infty le due esponenziali si spengono e yf→−A04y_f\to-\frac{A_0}4, il valore "a regime" per ingresso costante (stesso numero della soluzione particolare β\beta).

Controllo con la risposta impulsiva. Poiché yf=g∗xy_f=g*x e con T=1T=1 la convoluzione è la somma ∑kg(k)x(n−k)\sum_{k}g(k)x(n-k), per un gradino yf(n)=A0∑k=0ng(k).y_f(n)=A_0\sum_{k=0}^{n}g(k). 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 ∑k=0n(−110)(12)k=−110⋅1−(1/2)n+11/2=−15+110(12)n,\sum_{k=0}^n\left(-\tfrac1{10}\right)\left(\tfrac12\right)^k=-\tfrac1{10}\cdot\frac{1-(1/2)^{n+1}}{1/2}=-\tfrac15+\tfrac1{10}\left(\tfrac12\right)^n, ∑k=0n(−115)(−13)k=−115⋅1−(−1/3)n+14/3=−120−160(−13)n,\sum_{k=0}^n\left(-\tfrac1{15}\right)\left(-\tfrac13\right)^k=-\tfrac1{15}\cdot\frac{1-(-1/3)^{n+1}}{4/3}=-\tfrac1{20}-\tfrac1{60}\left(-\tfrac13\right)^n, e −15−120=−14-\frac15-\frac1{20}=-\frac14: si ritrova esattamente la formula di yfy_f ✓. In particolare ∑k≥0g(k)=−14\sum_{k\ge0}g(k)=-\frac14 è il guadagno G(1)G(1) 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 y=yℓ+yfy=y_\ell+y_f. Per A0A_0, K1K_1, K2K_2 generici (Esempio 11.5A): y(n)=A0[−14+110(12)n−160(−13)n]+(310K1+110K2)(12)n+(−215K1+115K2)(−13)n.y(n)=A_0\left[-\tfrac14+\tfrac1{10}\left(\tfrac12\right)^n-\tfrac1{60}\left(-\tfrac13\right)^n\right]+\left(\tfrac3{10}K_1+\tfrac1{10}K_2\right)\left(\tfrac12\right)^n+\left(-\tfrac2{15}K_1+\tfrac1{15}K_2\right)\left(-\tfrac13\right)^n. La formula vale già da n=−2n=-2: infatti la parte forzata, calcolata in n=−1n=-1 e n=−2n=-2, dà 00 (ad esempio in n=−2n=-2: −14+410−960=−15+24−960=0-\frac14+\frac4{10}-\frac9{60}=\frac{-15+24-9}{60}=0), mentre la parte libera vale K1K_1 e K2K_2 per costruzione.

Per il confronto si usano i dati A0=2A_0=2, K1=−12K_1=-\frac12, K2=−2K_2=-2.

Metodo 1 (soluzione dell'equazione, §11.5). È quello dei punti (1) e (3): yℓ(n)=−720(1/2)n−115(−1/3)ny_\ell(n)=-\frac7{20}(1/2)^n-\frac1{15}(-1/3)^n.

Metodo 2 (risposta impulsiva con segnale fittizio, §11.6). L'evoluzione libera è la risposta forzata a un ingresso fittizio x0x_0 fatto di impulsi, che dipende solo dalle condizioni iniziali. Si ottiene scrivendo la parte causale v(n)=y(n)10(n)v(n)=y(n)1_0(n) dell'uscita libera: moltiplicando l'omogenea per 10(n)1_0(n), i termini y(n−i)10(n)y(n-i)1_0(n) diventano v(n−i)v(n-i) più impulsi che contengono le condizioni iniziali (y(n−1)10(n)=v(n−1)+K1δ(n)y(n-1)1_0(n)=v(n-1)+K_1\delta(n) e y(n−2)10(n)=v(n−2)+K1δ(n−1)+K2δ(n)y(n-2)1_0(n)=v(n-2)+K_1\delta(n-1)+K_2\delta(n)). Si arriva a v(n−2)+v(n−1)−6v(n)=x0(n),x0(n)=−K1[δ(n)+δ(n−1)]−K2 δ(n).v(n-2)+v(n-1)-6v(n)=x_0(n),\qquad x_0(n)=-K_1\left[\delta(n)+\delta(n-1)\right]-K_2\,\delta(n). Con i dati: x0(n)=12[δ(n)+δ(n−1)]+2δ(n)=52δ(n)+12δ(n−1)x_0(n)=\frac12\left[\delta(n)+\delta(n-1)\right]+2\delta(n)=\frac52\delta(n)+\frac12\delta(n-1). Per linearità e invarianza, l'uscita è fatta con la risposta impulsiva ritardata: yℓ(n)=52 g(n)+12 g(n−1).y_\ell(n)=\tfrac52\,g(n)+\tfrac12\,g(n-1). Valori: n=0n=0: 52(−16)=−512\frac52\left(-\frac16\right)=-\frac5{12} ✓. n=1n=1: 52(−136)+12(−16)=−572−672=−1172\frac52\left(-\frac1{36}\right)+\frac12\left(-\frac16\right)=-\frac5{72}-\frac6{72}=-\frac{11}{72}, uguale al valore di yℓ(1)y_\ell(1) del metodo 1: −740+145=−63+8360=−1172-\frac7{40}+\frac1{45}=\frac{-63+8}{360}=-\frac{11}{72} ✓.

Metodo 3 (trasformata zeta, §11.7). Con X(z)=∑nx(n)z−nX(z)=\sum_nx(n)z^{-n} e la sostituzione p=z−1p=z^{-1} che trasforma i polinomi in z−1z^{-1} in polinomi in pp:

  • risposta impulsiva: G(z)=1z−2+z−1−6=1p2+p−6=15[1p−2−1p+3]=−1/101−p/2−1/151+p/3G(z)=\dfrac1{z^{-2}+z^{-1}-6}=\dfrac{1}{p^2+p-6}=\dfrac15\left[\dfrac1{p-2}-\dfrac1{p+3}\right]=-\dfrac{1/10}{1-p/2}-\dfrac{1/15}{1+p/3}. Poiché Z−1[11−az−1]=an10(n)Z^{-1}\left[\frac1{1-az^{-1}}\right]=a^n1_0(n), si ritrova g(n)=[−110(1/2)n−115(−1/3)n]10(n)g(n)=\left[-\frac1{10}(1/2)^n-\frac1{15}(-1/3)^n\right]1_0(n) ✓. I valori p=2p=2 e p=−3p=-3 sono fuori dal cerchio unitario nella variabile p=z−1p=z^{-1}: corrispondono ai poli z=12z=\frac12 e z=−13z=-\frac13 della forma usuale in zz, dentro il cerchio unitario, che è la stessa condizione di stabilità ∣zi∣>1\lvert z_i\rvert>1 scritta per le radici di hh.
  • risposta forzata al gradino (Esempio 11.7A): X(z)=A01−pX(z)=\frac{A_0}{1-p}, quindi Yf=A0(p2+p−6)(1−p)=A0[14(p−1)−15(p−2)−120(p+3)]=A0[−1/41−p+1/101−p/2−1/601+p/3]Y_f=\dfrac{A_0}{(p^2+p-6)(1-p)}=A_0\left[\dfrac{1}{4(p-1)}-\dfrac1{5(p-2)}-\dfrac1{20(p+3)}\right]=A_0\left[-\dfrac{1/4}{1-p}+\dfrac{1/10}{1-p/2}-\dfrac{1/60}{1+p/3}\right], da cui yfy_f come sopra ✓.
  • evoluzione libera (Esempio 11.7B, formula per condizioni iniziali): Yℓ(z)=−a1K1+a2(K2+z−1K1)a2z−2+a1z−1+a0=−K1+K2+K1pp2+p−6Y_\ell(z)=-\dfrac{a_1K_1+a_2(K_2+z^{-1}K_1)}{a_2z^{-2}+a_1z^{-1}+a_0}=-\dfrac{K_1+K_2+K_1p}{p^2+p-6}. Con K1=−12K_1=-\frac12, K2=−2K_2=-2 il numeratore è −(−52−12p)=52+p2-(-\frac52-\frac12p)=\frac52+\frac p2, e Yℓ=5/2+p/2(p−2)(p+3)=710(p−2)−15(p+3)=−7/201−p/2−1/151+p/3 ⇒ yℓ(n)=−720(12)n−115(−13)n ✓.Y_\ell=\frac{5/2+p/2}{(p-2)(p+3)}=\frac{7}{10(p-2)}-\frac1{5(p+3)}=-\frac{7/20}{1-p/2}-\frac{1/15}{1+p/3}\ \Rightarrow\ y_\ell(n)=-\tfrac7{20}\left(\tfrac12\right)^n-\tfrac1{15}\left(-\tfrac13\right)^n\ ✓. (I residui: in p=2p=2 vale 5/2+15=710\frac{5/2+1}{5}=\frac7{10}; in p=−3p=-3 vale 5/2−3/2−5=−15\frac{5/2-3/2}{-5}=-\frac15.)

Con i dati dell'Esempio 11.7B (K1=7K_1=7, K2=−2K_2=-2) la stessa formula dà Yℓ=−5+7pp2+p−6Y_\ell=-\frac{5+7p}{p^2+p-6} e quindi yℓ(n)=1910(1/2)n−1615(−1/3)ny_\ell(n)=\frac{19}{10}(1/2)^n-\frac{16}{15}(-1/3)^n: coincide con la formula generale del punto (1) (α1=2110−210=1910\alpha_1=\frac{21}{10}-\frac2{10}=\frac{19}{10}, α2=−1415−215=−1615\alpha_2=-\frac{14}{15}-\frac2{15}=-\frac{16}{15}) e con la ricorsione (yℓ(0)=56y_\ell(0)=\frac{5}{6}, yℓ(1)=4736y_\ell(1)=\frac{47}{36}) ✓.

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 y(n)=16[y(n−1)+y(n−2)−x(n)]y(n)=\frac16\left[y(n-1)+y(n-2)-x(n)\right] con frazioni esatte e si confronta con le formule (non con approssimazioni).

python
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 K1=7K_1=7, K2=−2K_2=-2 dà yℓ(0)=56y_\ell(0)=\frac56, yℓ(1)=4736y_\ell(1)=\frac{47}{36}, e per nn da 00 a 1111 la somma cumulata di gg coincide con yf/A0y_f/A_0):

nn g(n)g(n) yf(n)y_f(n) con A0=2A_0=2 yℓ(n)y_\ell(n) con K1=−12K_1=-\frac12, K2=−2K_2=-2 y(n)y(n)
0 −0,1667-0{,}1667 −0,3333-0{,}3333 −0,4167-0{,}4167 −0,7500-0{,}7500
1 −0,0278-0{,}0278 −0,3889-0{,}3889 −0,1528-0{,}1528 −0,5417-0{,}5417
2 −0,0324-0{,}0324 −0,4537-0{,}4537 −0,0949-0{,}0949 −0,5486-0{,}5486
3 −0,0100-0{,}0100 −0,4738-0{,}4738 −0,0413-0{,}0413 −0,5150-0{,}5150
4 −0,0071-0{,}0071 −0,4879-0{,}4879 −0,0227-0{,}0227 −0,5106-0{,}5106
5 −0,0029-0{,}0029 −0,4936-0{,}4936 −0,0107-0{,}0107 −0,5043-0{,}5043

Il segno alternato di g(n)g(n) e di yfy_f viene dal modo (−1/3)n(-1/3)^n; la somma ∑n≥0g(n)=−14\sum_{n\ge0}g(n)=-\frac14 si vede dal limite yf/A0→−0,25y_f/A_0\to-0{,}25.

Errori tipici.

  • Scambiare la convenzione di a0a_0 (qui a0=−6a_0=-6 moltiplica y(n)y(n)): con l'ordine inverso del polinomio si ottengono le radici reciproche 12\tfrac12 e −13-\tfrac13 al posto di 22 e −3-3, e la stabilità sembra "∣zi∣<1\lvert z_i\rvert<1".
  • Imporre le condizioni iniziali in n=0,1n=0,1 per l'evoluzione libera: sono date in n=−1,−2n=-1,-2 (e la risposta impulsiva si ricava invece dalla ricorsione in n=0,1n=0,1).
  • Scrivere le soluzioni dell'omogenea come zinz_i^{n} invece di zi−nz_i^{-n}: con le radici 22 e −3-3 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 →.

Teoria collegata