Cos'è ElectroYou | Login Iscriviti

ElectroYou - la comunità dei professionisti del mondo elettrico

18
voti

Trasformata di Laplace

Il comportamento dinamico di un qualsiasi sistema fisico a partire da un determinato istante, detto istante 0, è descritto da un sistema di equazioni differenziali. La trasformata di Laplace è uno strumento matematico efficace per affrontarne lo studio. Essa ha la proprietà di trasformare le equazioni differenziali, di integrazione difficoltosa, in equazioni algebriche per le quali esistono più agevoli algoritmi risolutivi. Fondamentali, da questo punto di vista sono i teoremi, più avanti enunciati, di derivazione ed integrazione.

Essa è definita da

in cui y(t) è una funzione del tempo nota per t>0, ed s è una variabile complessa la cui parte reale è tale da rendere convergente l'integrale, condizione che definisce l'esistenza della Y(s).

Ad esempio se y(t)=1(t) (gradino unitario), l'integrale converge per ogni s positivo; se y(t)=e2t, la parte reale di s deve essere >2. In generale per ogni y(t) si deve definire un'ascissa di convergenza, c, per la Y(s) nel piano complesso. La retta parallela all'asse immaginario passante per c, definisce il dominio, cioè il campo di esistenza, di Y(s) come il semipiano alla destra di c.

Generalmente si scrive

Y(s) è detta trasformata di y(t).

Ecco una tabella in cui sono riportate le trasformate di alcune funzioni comuni.

TAB. 1  

n.

y(t)

Y(s)

1

(impulso di ampiezza k.  d(t) è l'impulso unitario definito come funzione che vale 0 quando t è diverso da zero ed il cui integrale, tra i limiti che comprendono zero, vale uno.)

NB: in accordo al teorema più avanti enunciato, l'impulso di ampiezza k è la derivata del gradino di ampiezza k.

2

(gradino di ampiezza k: è una funzione che vale zero per t<0, K per t>0)

NB: in accordo al teorema più avanti enunciato, il gradino di ampiezza k è l'integrale dell' impulso di  di ampiezza k.

3

4

5

6

7

8

Antitrasformazione

Nota la trasformata di Y(s) di una funzione y(t),  la y(t) si può determinare con

dove k è una costante appartenente al dominio di convergenza della Y(s).

Le difficoltà inerenti il calcolo dell'integrale in campo complesso, fanno spesso preferire, nell'uso pratico, il ricorso alle tavole di trasformazione. In tal caso il metodo consiste nel confrontare la funzione di s, spesso elaborandola algebricamente, con quelle presenti in tabelle tipo tab. 1, per trovare la corrispondente funzione nella variabile t. Di sicuro aiuto sono poi i teoremi più  avanti enunciati. Il difetto di questo metodo, è di non delineare un procedimento generale e sicuro, è una specie di empirismo algebrico che richiede una buona dose di fantasia e l'esistenza di trasformate già calcolate.

Ecco un paio di semplici esempi:

Esempio: 1

Sia nota

Ricorrendo alla tabella 1, tenendo conto dei teoremi elencati nella sottostante tabella (nel caso specifico quello della traslazione in campo complesso) si ha immediatamente

Esempio.2

Sia

con una piccola manipolazione algebrica si ha

da cui, con l'uso della tabella 1

TEOREMI


Teorema di sovrapposizione

La trasformata di una somma è la somma delle trasformate

Cambiamento di scala

La trasformata della funzione che si ottiene dividendo per una costante a la variabile indipendente t, si ottiene moltiplicando per a sia la variabile s della trasformata della funzione originaria che la stessa trasformata.

Traslazione in campo complesso

La trasformata del prodotto della funzione per eat è la trasformata traslata di a.

Traslazione in campo reale

La trasformata di una funzione traslata di a nel tempo è il prodotto della trasformata della funzione per e-sa

Teorema del valore iniziale

Il valore della funzione all'istante iniziale è il valore del limite del prodotto della trasformata per la variabile s quando s tende a infinito.

Teorema del valore finale

Il valore finale della funzione è il valore del limite del prodotto della trasformata per la variabile s con s che tende a zero.

Teorema di derivazione

La trasformata della derivata è il prodotto della trasformata per la variabile s meno il valore della funzione nell'istante 0 (valore iniziale)

Teorema di integrazione

La trasformata dell'integrale della funzione è il rapporto tra la trasformata e la variabile s.

Ancora un paio di esercizi

Es.1: la trasformata di

è, applicando il teorema di traslazione in campo complesso ed utilizzando la tab. 1 riga 3.

Es.2: la trasformata di

è, applicando il teorema di traslazione in campo complesso ed utilizzando la tab. 1 riga 5.

 

47

Commenti e note

Inserisci un commento

di politam,

Salve, volevo sapere come si risolve l'integrale tra o e t di exp{-(t-s)/d}*O(s)*ds

Risposta automatica: domande del genere si fanno sul forum (NB: è gradito, ed in certi caso obbligatorio, l'uso di LaTeX per la scrittura delle formule matematiche

Rispondi

di Angela,

Quale proprietà si deve utilizzare per trasformare una funzione che moltiplica un gradino traslato? E se invece la funzione è del tipo(sen(2t+2))?....Grazie...

Rispondi

di Angela,

Come si redigono i diagrammi polari(o di Nyquist) a partire da quelli di Bode? Dove posso trovare esempi di applicazioni sulle proprietà della trasformata(ed esercizi possibilmente con svolgimento)?....Complimenti per la chiarezza con cui risponde ai quesiti...Grazie

Rispondi

di ,

Vincenzo,
non mi pare molto difficile rispondere: per conoscere il valore finale (o di regime) od iniziale della grandezza considerata effettuando calcoli algebrici.

Rispondi

di Vincenzo,

Perchè è utile utilizzare il teorema del valore iniziale e del valore finale?

Rispondi

di ,

Descrivere lo sfasamento tra l'uscita e lingresso in funzione della frequenza. Il concetto non cambia a seconda del tipo di filtro.

Rispondi

di Gio,

Salve ingegnere,la ringrazio per la sua disponibilità,sò che non è il sito adatto per porle questa domanda....ma ho bisogno di aiuto.Cosa vuol dire descrivere il comportamento in fase tra uscita e ingresso di un filtro passa-basso?ma vale lo stesso anche per un filtro passa-alto?anche se credo di no.La ringrazio.....

Rispondi

di ,

Le condizioni iniziali bisogna conoscerle o saperle calcolare. Quindi se ne tiene conto inserendole nelle L-trasformate. Per calcolarle non c'è un metodo generale. Occorre conoscere la legge che regola il fenomeno considerato e calcolare il valore delle grandezze che interessano in quello che sarà considerato l'istante zero. Ad esempio se un condensatore si sta caricando e quando è giunto a metà carica la situazione circuitale è modificata (apertura o inserzione di un nuovo componente) la condizione iniziale del condensatore corrisponde alla tensione raggiunta in quel momento dalla tensione su di esso.

Rispondi

di stella,

Egregio prof. qual è il procedimento per tenere conto delle condizioni iniziali sui componenti conservativi nell'analisi dei circuiti lineari tempo invarianti con il metodo di Laplace

Rispondi

di ,

Quali vantaggi ti aspetteresti affinché i due teoremi citati meritassero l'attenzione a loro riservata?
Il vantaggio è quello di ogni teorema matematico: la conferma di un'ipotesi; una conoscenza certa ulteriore; uno strumento di calcolo; una base di partenza per nuove indagini. Nel caso specifico permettono di calcolare il valore della grandezza che varia nel tempo all'inizio ed alla fine del transitorio anche senza conoscere l'espressione esatta della grandezza in funzione del tempo: basta conoscerne la trasformata. Il calcolo del limite nel dominio della trasformata inoltre può essere più agevole di quello nel dominio del tempo. I vantaggi poi uno se li crea sapendo usare i teoremi nel momento opportuno, ed è evidente che, se non esistessero, non li potrebbe utilizzare.

Rispondi

di perferdark,

in anzi tutto complimenti per il sito e per l'espiegazione dell'argomento. allora vorrei sapere che vantaggi ha il teorema di valore finale e iniziale.grazie.

Rispondi

di ,

Cara gio,

ci sono molte regioni per cui si può non ottenere risposta, tantomeno immediata come tu la pretendi.

Innanzitutto queste note non sono una chat né un forum, sono previste per commenti, non per domande. Se si fanno domande si può solo sperare che venga data una risposta. Perché questo succeda occorre che chi vede la domanda sappia dare la risposta ed abbia il tempo per rispondere. Insomma bisogna anche sapersi accontentare di quanto si riceve da una redazione che non dispone di esperti onniscienti con tempo disponibile illimitato per un servizio gratuito.

Ad ogni modo per quel che riguarda la dimostrazione che richiedi, si può applicare la regola di integrazione per parti.

si ha allora

Cioè la L-trasformata dell’integrale di una funzione y(t)è uguale alla L-trasformata della funzione stessa diviso la variabile s.

Rispondi

di gio,

come mai non mi ha risposto all'altro quesito?ovvero la dimostrazione dell'integrale nella trasformata di Laplace,l'ho fatta ma volevo essere sicura....attendo sue notizie...

Rispondi

di ,

Stai invertendo le cose. Non è che l'esigenza di usare la trasformata di Laplace imponga la linearità e la stazionarietà dei sistemi. E' che viene sviluppata una teoria per i sistemi che si possono rappresentare con un modello matematico lineare , cui è dunque applicabile la sovrapposizione degli effetti, e stazionario (o tempo-invariante), cioè a parametri descrittivi costanti nel tempo, per i quali è valida la proprietà di spostamento nel tempo dell'effetto con la causa. Modelli matematici di questo tipo sono rappresentabili da equazioni differenziali a coefficienti reali costanti. Equazioni che si possono studiare applicando la trasformata di Laplace.

Rispondi

di giò,

volevo chiedere perché è richiesta l'ipotesi di tempo-invarianza e l'ipotesi di linearità dei circuiti con il metodo di Laplace....attendo sue notizie

Rispondi

di giò,

Volevo chiedervi semplicemente la dimostrazione del teorema di integrazione e perché viene usato ovvero cosa mi semplifica?

Rispondi

di ,

La risposta di un sistema è, come sai, il modo in cui varia la grandezza controllata (uscita) in seguito alla variazione di una sollecitazione (ingresso). Supponiamo che l'uscita debba riprodurre l'andamento dell'ingresso. In realtà questo non si verifica esattamente per i ritardi e le attenuazioni prodotte dagli elementi che accumulano e dissipano energia interni al sistema stesso. Il problema che si deve affrontare è conoscere con precisione ritardi ed attenuazioni. Si nota che essi variano al variare della rapidità con cui varia l'ingresso. Si impone allora che l'ingresso sia un segnale sinusoidale di data ampiezza e frequenza variabile. Se il sistema è lineare, anche l'uscita varia con legge sinusoidale e la sinusoide che la rappresenta, al variare della frequenza varia la sua ampiezza ed il suo ritardo rispetto a quella dell'ingresso. E' questa la risposta in frequenza, cioè il variare, con la frequenza, dell'ampiezza e della fase (che è l'angolo che corrisponde al ritardo) dell'uscita rispetto all'ingresso. Le informazioni che si ricavano da questo studio particolare, in cui la sollecitazione è sinusoidale, si possono usare per capire la risposta del sistema ad un ingresso comunque variabile. Ecco perché si parla di metodo della risposta in frequenza. D'altra parte il segnale sinusoidale è sì particolare, ma è alla base di qualsiasi segnale comunque variabile, come dimostrato dal teorema di Fourier.

Rispondi

di vale,

volevo fare una domanda forse abbastanza scema...non capisco bene dagli appunti cosa si intenda per metodo della risposta in frequenza. Potresti darmi una risposta il più semplice possibile?

Rispondi

di ,

Per stazionario c'è una risposta nel sito.
Lineare è un sistema in cui le relazioni tra le grandezze, che lo descrivono matematicamente, sono equazioni di primo grado.

Rispondi

di ,

Per Giangi:
I sistemi del primo ordine sono caratterizzati da un'unica costante di tempo, t. La loro funzione di trasferimento è del tipo G(s)=k/(1+s*t).
Si possono vedere questi appunti.

Rispondi

di Giangi,

Volevo chiedere cosa significa quando parlando di un sistema lo si intende come "sistema di tipo 1"?

Rispondi

di ,

E' la fase in cui le grandezze caratteristiche del sistema, quali ad esempio può essere il valore efficace di una corrente, variano nel tempo. Quando invece mantengono costante il loro valore, si parla di regime permanente. Il regime transitorio si ha pertanto durante il passaggio da un regime permanente ad un altro. Quando si sale in macchina, il transitorio è la fase in cui si accende il motore, si ingrana la marcia, si accelera e si cambia. Quando si procede a velocità costante si è in regime permanente.

Rispondi

di Francy,

cosa significa sistema in regime transitorio?GRazie

Rispondi

di ,

Per Fiorw: Non so se sia espresso nei "soldoni" che desideri: il valore finale (si dice tra "trovare il valore finale", non "fare il valore finale") è il valore o l'andamento che assume, a regime, l'uscita considerata.
Per Gigi:
Non mi sembra un'impresa tanto ardua: una sinusoide è una curva che ha l'andamento determinato dalla funzione trigonometrica "seno". Se considero y=sen x al variare di x (che è un angolo) y descrive una curva detta sinusoide.

Rispondi

di Fiorw,

ma quindi cosa significa "in soldoni" fare il valor finale?Grazie ancora

Rispondi

di Gigi,

Salve,volevo sapere come si risponde alla domanda:
Che cosa è una Sinusoide?
Grazie

Rispondi

di ,

Con dimostrazioni matematiche. Si possono trovare a pag. 11 e 12 di questo link

Rispondi

di Fiore,

Salve volevo chiederle:come si arriva alla verifica del teorema del valore iniziale e finale?

Rispondi

di ,

E' la parte reale della variabile complessa s, a destra della quale, ESISTE l'integrale di Laplace della funzione del tempo f(t). La CONVERGENZA dell'integrale di Laplace, cioè il fatto che l'espressione di Y(s) sia diversa da infinito, è SINONIMO di ESISTENZA di un'espressione finita di Y(s).

Rispondi

di Lucy,

Salve,volevo sapere cosa è l'ascissa di convergenza di una funz. di trasferimento

Rispondi

di ,

Un'equazione differenziale è sempre un modello dinamico. Lineare significa che i coefficienti delle derivate sono delle costanti. Stazionario si riferisce al modo di variare delle grandezze in gioco, non all'equazione differenziale.

Rispondi

di Nick,

Salve,io volevo sapere se quando mi trovo davanti a problemi con una equazione differenziale lineare stazionaria significa che il modello è dinamico,grazie

Rispondi

di ,

Per Ivan:
Non voglio entrare nel merito di come Sandro Petrizzelli abbia prodotto il suo lavoro su internet. Nella sua pagina iniziale afferma che:
"In queste pagine trovate una parte dei file da me scritti, durante la mia vita accademica (al Politecnico di Bari), mettendo insieme appunti presi a lezione, appunti di altri "colleghi", testi di consultazione, materiale vario prelevato direttamente su Internet.
Non mi sembra quindi si attribuisca il merito di aver scritto un'opera di assoluta originalità , che, d'altra parte, per i numerosi argomenti trattati e per il fatto che sono stati da lui redatti mentre era studente, è qualcosa di impensabile. Come poi li abbia redatti, se abbia "fotocopiato" integralmente, questo non lo so giudicare, anche se non lo credo. Sarà eventualmente l'autore originale a esigere i suoi diritti. Io prendo quello che è pubblicato, come è pubblicato, osservo i contenuti, trovo che si tratti di un lavoro utile e ben organizzato. Tutto il resto riguarda l'autore del sito ed eventualmente osservazioni di questo tipo, è opportuno rivolgerle al diretto interessato. C'è un sito, un nome, un'email...
Per Jangi:
Occorre una dimostrazione matematica evidentemente. Per questo ci sono testi specifici di matematica. Qui può bastare che sapere che i matematici lo hanno fatto specificando che la y(t) deve essere di ordine esponenziale e che il campo di esistenza della Y(s) è in tal caso la zona del piano complesso a destra dell'ascissa di convergenza che corrisponde all'ordine specifico della funzione esponenziale.

Rispondi

di Jangi,

Volevo sapere come si fa a dire che converge?grazie

Rispondi

di Ivan,

Volevo aggiungere anche io una cosa perchè mi sembra più che giusto,ebbene Sandro Petrizzelli non ha fatto proprio un bel niente,si è semplicemente messo a scopiazzare sul libro del grande G.Marro che penso che lei conosca e meriti o non meriti questo non è giusto!

Rispondi

di ,

Cerco di concludere la parentesi polemica rispondendo alle domande inizialmente poste.
1)sostituire in G(s) la variabile complessa s = a+jw con jw significa porre a=0 e serve a studiare la risposta in frequenza. Si dimostra che se il sistema è asintoticamente stabile, la G(jw) è la risposta in frequenza del sistema. L'uscita del sistema è in tal caso un'oscillazione identica a quella di ingresso con una diversa ampiezza ed una diversa fase determinate rispettivamente dal modulo e dall'argomento della G(jw).
2)Calcolare dunque il modulo della G(jw) significa determinare il rapporto tra l'ampiezza dell'uscita e l'ampiezza dell'ingresso.

Rispondi

di Antonio,

Guardi che solo lei stà facendo ironia,io veramente credevo che la mia domanda non fosse "buona",lo sò che risponde a tantissimi altri,infatti mi sarebbe bastato se lei mi avesse scritto: mi dispiace ma al momento non ho il tempo per risponderle!si figuri se anche io ho tempo di fare ironia su internet!

Rispondi

di ,

Per Marco:
Perché quella mi sembra la sede più adatta per avere la corretta interpretazione della definizione, poiché è proprio lì che è stata data. Le dispense di Sandro Petrizzelli, per quanto mi risulta, sono più che buone. Ed io non so dove si trovi, e non posso interpretare ciò che aveva in mente Sandro Petrizzelli, senza vedere il contesto in cui è inserita la definizione. Ad ogni modo una mia interpretazione l'ho data.
Comunque ora cerco le dispense di Petrizzelli...
avresti almeno dovuto specificarmi il link...
...
presumo sia questo:
http://www.sandropetrizzelli.it/download/TeoriaSistemi/Tsistemi_11.pdf
... mi pare che le definizioni ci siano. Dunque
si dice che un segnale è causale se è nullo per t<0 . Che altro si potrebbe aggiungere? Torniamo allo squillo del telefono: fino all'istante in cui il telefono non suonava lo squillo era identicamente nullo. Si tratta dunque di un segnale causale.
Vediamo ora se è definito che cosa si intende con "di ordine esponenziale"...
ecco, trovato:
un segnale causale è di ordine esponenziale se esistono un M ed un a reali tali che il valore assoluto del segnale f(t) dopo un certo tempo si mantiente sempre inferiore od al massimo uguale al valore della funzione esponenziale M*eat.
Mi sembra che non ci sia bisogno di ulteriori spiegazioni. Casomai osservare che quanto avevo detto nella precedente nota valeva come segnale esponenziale solamente. Avevo eliminato troppo frettolosamente l'"ordine". Però nelle dispensa citata era presente tutto quello che desideravi sapere.

Per Max:
Se leggi la risposta data poco fa a Marco e se hai sott'occhio la dispensa citata, si dovrebbe capire cos'è l'ordine esponenziale del segnale. Comunque nella dispensa di Petrizzelli è definito chiaramente:
"ordine esponenziale specifico di un segnale f(t) è il più piccolo valore di a che soddisfa la relazione: abs(f(t))<=M*eat"

Per la seconda domanda di Antonio:
1)Non sono obbligato a rispondere
2)Non sono obbligato a sapere la risposta
3)Ci sono domande per le quali la risposta, anche se nota, può essere lunga ed impegnativa.
4)Quando scrivo io sono una macchina seriale: riesco a fare una cosa per volta, quando ci riesco; lo faccio gratuitamente, e non ricevo solo le domande di Antonio.
Invito Antonio a scrivere le risposte che ho dato solo in questa sezione, ed a misurare il tempo necessario, moltiplicandolo quindi per un coefficiente pari ad almeno 3 poiché non scrivo sotto dettatura senza pensare.
Forse sarà più chiaro perché, probabilmente, è fuori luogo l'irritata ironia che appare nella richiesta di sapere se la prima domanda posta fosse stupida.

Rispondi

di Marco,

La definizione la ho trovata sulla dispensa di Sandro Petrizzelli perchè???

Rispondi

di Max,

L'integrale di Laplace ha senso solo assumendo che la variabile complessa abbia parte reale maggiore dell'ordine del segnale in questione. Volevo chiederle quale è l'ordine del segnale? Scusi per la stupidità della domanda, grazie!

Rispondi

di Antonio,

volevo solo sapere se la mia domanda era così stupida da non rispondere!grazie ancora

Rispondi

di ,

Per Matteo:
Mi sembra che ci sia già tutto nelle parole. Il vocabolario può essere più che sufficiente per comprendere la definizione.
Funzione: è una legge che fa corrispondere, in modo univoco, ad un elemento, x, di un insieme X, un elemento, y, di un insieme Y.
Se X è l'insieme dei numeri reali ed Y l'insieme dei numeri complessi su parlerà di funzione complessa di variabile reale. Un esempio? y=radice quadrata di un numero negativo: qualsiasi numero negativo è un numero reale ma la sua radice quadrata esiste solo in campo complesso.
Per Enrico:
in che senso sempre? Se ne parla quando l'equazione è lineare, cioè quando le variabili compaiono con esponenti unitario ed i loro coefficienti sono delle costanti ed interpreta un fenomeno fisico stazionario, che cioè non cambia nel tempo. In effetti poi la loro soluzione matematica è "più facile", ma non è solo questo il punto. L'importante è che esse interpretino correttamente un fenomeno fisico. Perché questo sia possibile occorre nella maggior parte dei casi definire il campo di variazione delle variabili entro cui le realazioni si mantengono lineari.
Per Marco: Segnale causale di ordine esponenziale?Ho una curiosità: dove è stata trovata questa espressione?
Un "segnale causale" è un segnale che causa qualcosa, che so: lo squillo del telefono (il segnale) causa il sollevamento della cornetta da parte di chi riceve la telefonata.
Di "ordine esponenziale" o semplicemente esponenziale: è un segnale che, nel tempo, segue una legge in cui la variabile tempo compare in un esponente. Esempio: la corrente di carica di un condensatore è data da un valore costante, che è la corrente I0 che si ha nell'istante iniziale, moltiplicato per il numero di nepero, e=2,718..., elevato ad un esponente che è il rapporto tra la variabile tempo, t, ed una costante, detta costante di tempo, T: cioè i(t)=I0*e^(-t/T)
Per Fox:
In tutti i casi in cui sono valide le ipotesi che definiscono la trasformata, cioè, come detto nella lezione, quando"y(t) è una funzione del tempo nota per t>0, ed s è una variabile complessa la cui parte reale è tale da rendere convergente l’integrale.

Rispondi

di Enrico,

Perchè si parla sempre di Equazione lineare stazionaria?? perche è più facile risolverle??Non riesco a capirlo!

Rispondi

di Matteo,

Salve, volevo chiederle cosa significa "Funzione di variabile reale a valore complesso"?Grazie

Rispondi

di Fox,

Si può sempre utilizzare la trasformata di Laplace?e se No,in quali casi?

Rispondi

di Marco,

Quando un segnale causale si dice di ordine esponenziale? potreste spiegarmelo nel modo più semplice possibile.

Rispondi

di Antonio,

Volevo chiederle cosa significano e cosa comportano questi passaggi dopo aver trasformato con Laplace:
1)porre la 's' della funzione di trasferimento G(s) uguale a jw(che sarebbe j omega)
2)Fare il modulo di G(s)

Rispondi

Inserisci un commento

Per inserire commenti è necessario iscriversi ad ElectroYou. Se sei già iscritto, effettua il login.