الإشارات والأنظمة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الالتفاف المتقطع
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
الالتفاف المستمر
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
الطول والمجموع
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
البداية والنهاية والمساحة
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
خطوة داخلة في e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
نظام من الرتبة الأولى
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
التكرار من الرتبة الأولى
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
جيبية تمر عبر h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
سعات متسلسلة فورييه
مربعة ±A: 4A/(kπ)، k فردي؛ مثلثية ±A: 8A/(π²k²)، k فردي؛ قطار نبضات: A·D و(2A/(kπ))|sin kπD|

الطريقة

  1. ارسم الإشارتين ودوّن أين تكون كل منهما غير صفرية.
  2. اقلب h وحرّكه: لكل زمن خرج أوجد المدى الذي تتراكب فيه الإشارتان.
  3. اضرب واجمع (في المتقطع) أو اضرب وكامِل (في المستمر) على ذلك التراكب وحده.
  4. تحقق من النتيجة: يبدأ الخرج عند مجموع زمني البداية وينتهي عند مجموع زمني النهاية، وتساوي مساحته أو مجموعه حاصل ضرب مساحتي الدخلين أو مجموعيهما.

2مسائل تدريبية

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t24h(t)t21

يُلتَفّ بين النبضة x(t) = 4 لـ 0 ≤ t < 2 s والدالة h(t)، وهي مثلث يهبط خطيًا من 1 عند t = 0 إلى 0 عند t = 2 s. أوجد المساحة Ay تحت y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(2) = 0
Ay =
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
10cos(20t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

يُطبَّق الدخل x(t) = 10·cos(20t) على نظام فيه h(t) = 5·e−10tu(t). أوجد طور φ الخرج في الحالة المستقرة بالنسبة إلى الدخل، بالدرجات.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(20t)
φ = °
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

F(s) = (s + 15)/(s² + 3s + 2). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−t + B·e−2t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (s + 15)/(s² + 3s + 2)
A =
4.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 4y′ + 5y = 2u′ + 8u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,4 s. أوجد g(0,4).

y″ + 4y′ + 5y = 2u′ + 8ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5

لنظام دالة النقل G(s) = 9,5/(s² + 7s + 19) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد نسبة التخميد ζ.

G(s) = 9,5/(s² + 7s + 19)
ζ =
6.الاستجابة الخطويةصعبة
k = 500 N/mc = 50 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

كتلة m = 5 kg معلّقة بنابض k = 500 N/m مع مخمّد لزج c = 50 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 5 N. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الإزاحة.

m = 5 kgk = 500 N/mc = 50 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 1620/((s + 9)(s + 15)) عند ω = 2 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 1620/((s + 9)(s + 15))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
8.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 194/(s(s + 4)(s + 7)). أوجد تردد تقاطع الطور ω180، حيث ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 194/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s

3المحاليل

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: Ay = 8

الالتفاف المستمر: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. اقلب h وحرّكه إلى الموضع t ثم كامِل حاصل ضرب الجزأين المتراكبين. وللإشارات السببية يمتد التكامل من 0 إلى t. نتائج مفيدة: مساحة y تساوي مساحة x مضروبة في مساحة h؛ وإذا استمرت x من t₁ إلى t₂ وh من t₃ إلى t₄ فإن y تستمر من t₁ + t₃ إلى t₂ + t₄. وللدالة h(t) = e−atu(t) ولخطوة ارتفاعها A يكون y(t) = (A/a)(1 − e−at).

مساحتا الدخلين

∫x dt = 4·2 = 8
∫h dt = ½·2·1 = 1

مساحة الخرج

Ay = 8·1 = 8

الإجابة

Ay = 8
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: φ = −63,43 °

استجابة النبضة ومتسلسلة فورييه: تصف استجابة النبضة h(t) نظامًا خطيًا لا يتغير مع الزمن وصفًا كاملًا: ففي y′ + a·y = b·x تكون h(t) = b·e−atu(t)، وفي y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] تكون h[n] = b·aⁿu[n]. تمر الجيبية cos ωt بكسب |H(jω)| وطور ∠H(jω)، حيث H هو تحويل فورييه لـ h. الإشارة الدورية مجموع توافقيات عند k/T: فالموجة المربعة ±A لها توافقيات فردية فقط بسعات 4A/(kπ)، والموجة المثلثية ذات الذروة A لها 8A/(π²k²)، وقطار النبضات ذو الارتفاع A ودورة التشغيل D له المتوسط A·D والتوافقيات (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

الاستجابة الترددية

H(jω) = 5/(10 + jω)

الطور عند تردد الدخل

φ = −atan(20/10) = −63,43°

الإجابة

φ = −63,43°
3.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 14

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

حلّل المقام

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 1) وضع s = −1: يختفي حدّ B.

A = (s + 15)/(s + 2) |s = −1 = 14/1 = 14

الإجابة

A = 14
(B = −13، لذا f(t) = 14·e−t − 13·e−2t)
4.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.4) = 1,528

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 8)/(s² + 4s + 5)

الكسور الجزئية

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (4/1)·1/((s + 2)² + 1²)

استجابة النبضة

g(t) = e−2t·(2·cos 1t + 4·sin 1t)
g(0,4) = 1,528

الإجابة

g(0,4) = 1,528
5.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ζ = 0,803

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 19 → ωₙ = 4,359 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,359) = 0,803

النتيجة

ζ = 0,803

الإجابة

ζ = 0,803
6.الاستجابة الخطوية

الإجابة: %OS = 16,3 %

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = √(k/m) = √(500/5) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 50/(2·√(500·5)) = 0,5

النتيجة

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,3 %

الإجابة

%OS = 16,3 %
7.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 21,3 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

اضرب المقادير

|G(j2)| = 1620/(√(2² + 9²)·√(2² + 15²)) = 1620/(9,22·15,13) = 11,61

النتيجة

20·log₁₀(11,61) = 21,3 dB

الإجابة

|G(jω)| = 21,3 dB
8.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ω180 = 5,292 rad/s

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تقاطع الطور

(ω/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

الإجابة

ω180 = 5,292 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems