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)t210h(t)t1

تُطبَّق النبضة x(t) = 10 لـ 0 ≤ t < 2 s (وصفر في غير ذلك) على نظام فيه h(t) = e−2tu(t). أوجد الخرج y(3) عند t = 3 s، بعد انتهاء النبضة.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3 s
y(3) =
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
u[n]3+y[n]0,6·z⁻¹+

يحقق نظام المعادلة y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] ويبدأ من السكون. الدخل هو الخطوة الوحدوية x[n] = u[n]. أوجد y[4].

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−4−6−8−102

أوجد f(t) للدالة F(s) = (4s + 40)/(s² + 4s + 13) بإكمال المربّع، واحسب f(0,25).

F(s) = (4s + 40)/(s² + 4s + 13)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

حلّ y″ + 5y′ + 6y = 0 مع y(0) = −4 و y′(0) = 11 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,6).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −4y′(0) = 11t = 0,6 s
y(0.6) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 12/(s² + 3s + 4) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 12/(s² + 3s + 4)
tp = s
6.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 12)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 15 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 15 %
K =
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 22 nFR = 22 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 22 kΩ, C = 22 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 660 Hz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 22 kΩC = 22 nFf = 660 Hz
φ = °
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) = 24/(s(s + 1)(s + 5)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 24/(s(s + 1)(s + 5))
GM = dB

3المحاليل

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(3) = 0,6643

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).

الخرج عند نهاية النبضة

y(2) = (10/2)(1 − e−4) = 4,908

التضاؤل بعد النبضة

y(3) = 4,908·e−2·1 = 0,6643

الإجابة

y(3) = 0,6643
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y[4] = 6,917

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)|.

كرّر الحساب

y[0] = 3
y[1] = 4,8
y[2] = 5,88
y[3] = 6,528
y[4] = 6,917

النتيجة

y[4] = 3·(1 − (0,6)5)/(1 − 0,6) = 6,917

الإجابة

y[4] = 6,917
3.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.25) = 6,185

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).

أكمل المربّع

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

طابق البسط

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (32/3)·3/((s + 2)² + 3²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(4·cos 3t + 10,67·sin 3t)
f(0,25) = e−2·0,25·(4·cos(3·0,25) + 10,67·sin(3·0,25)) = 6,185

الإجابة

f(0,25) = 6,185
4.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.6) = −0,7971

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).

حوّل المعادلة

s²Y − (−4)s − 11 + 5(sY − (−4)) + 6Y = 0
Y(s) = (−4s − 9)/((s + 2)(s + 3))

الكسور الجزئية

A = −1/1 = −1
B = 3/(−1) = −3

النتيجة

y(t) = −e−2t − 3·e−3t
y(0,6) = −0,7971

الإجابة

y(0,6) = −0,7971

تحقّق: y(0) = A + B = −4.

5.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 2,375 s

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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75

النتيجة

ωd = 2·√(1 − 0,75²) = 1,323 rad/s → tp = π/ωd = 2,375 s

الإجابة

tp = 2,375 s
6.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 134,7

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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 12s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

الكسب

ωₙ = 12/(2ζ) = 11,61 rad/s
K = ωₙ² = 134,7

الإجابة

K = 134,7
7.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 26,48 °

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.

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·2,2 × 10⁻⁸) = 2066 rad/s
fc = 328,8 Hz → f/fc = 660/328,8 = 2,007

الطور

φ = 90° − atan(2,007) = 26,48°

الإجابة

φ = 26,48°
8.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 1,938 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.

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(30/24) = 1,938 dB

الإجابة

GM = 1,938 dB

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