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)t02h(t)t34

الإشارة x(t) غير صفرية فقط بين t = 0 s وt = 2 s، وh(t) فقط بين t = 3 s وt = 4 s. أوجد الزمن tend الذي تنتهي عنده y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 2 sh: 3 … 4 s
tend = s
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
u[n]4+y[n]−0,8·z⁻¹+

يحقق نظام المعادلة y[n] = −0,8·y[n − 1] + 4·x[n] ويبدأ من السكون. الدخل هو الخطوة الوحدوية x[n] = u[n]. أوجد y[5].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 3)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,5).

F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,5 s
f(0.5) =
4.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t)، مع y(0) = 5 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 1. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,1).

y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 294/(s² + 8s + 98) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 294/(s² + 8s + 98)
ts = s
6.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 2)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 5 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 5 %
K =
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 1 kΩC = 22 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 1 kΩ, C = 22 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 14 kHz. أوجد الكسب |H| = |vout/vin| بوحدة dB.

R = 1 kΩC = 22 nFf = 14 kHz
|H| = dB
8.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 26/(s(s + 2)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 26/(s(s + 2))
PM = °

3المحاليل

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: tend = 6 s

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).

البداية والنهاية

tstart = 0 + 3 = 3 s
tend = 2 + 4 = 6 s

الإجابة

tend = 6 s

الإجابة

tend = 6 s
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y[5] = 1,64

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] = 4
y[1] = 0,8
y[2] = 3,36
y[3] = 1,312
y[4] = 2,95
y[5] = 1,64

النتيجة

y[5] = 4·(1 − (−0,8)6)/(1 − (−0,8)) = 1,64

الإجابة

y[5] = 1,64
3.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 1,999

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).

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 35/(2·3) = 5,833
B = 35/((−2)·1) = −17,5
C = 35/((−3)·(−1)) = 11,67

التحويل العكسي

f(t) = 5,833 − 17,5·e−2t + 11,67·e−3t

احسب

f(0,5) = 5,833 − 17,5·e−2·0,5 + 11,67·e−3·0,5 = 1,999

الإجابة

f(0,5) = 1,999
4.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = 4,924

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

(s² + 5s + 6)·Y(s) = 5s + 25 + 12/s
Y(s) = (5s² + 25s + 12)/(s(s + 2)(s + 3))

الكسور الجزئية

A = 12/(2·3) = 2
B = −18/((−2)·1) = 9
C = −18/((−3)·(−1)) = −6

النتيجة

y(t) = 2 + 9·e−2t − 6·e−3t
y(0,1) = 4,924

الإجابة

y(0,1) = 4,924

تحقّق: y(0) = A + B + C = 5.

5.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 1 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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,899) = 0,4041

النتيجة

ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s

الإجابة

ts = 1 s
6.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 2,1

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 + 2s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

الكسب

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,449 rad/s
K = ωₙ² = 2,1

الإجابة

K = 2,1
7.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |H| = −6,762 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.

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 14000/7234 = 1,935

الكسب

|H| = 1/√(1 + 1,935²) = 0,4591
20·log₁₀(0,4591) = −6,762 dB

الإجابة

|H| = −6,762 dB
8.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 22,18 °

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 الكسب

ω⁴ + 4ω² − 676 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·676))/2 = 24,08
ωc = 4,907 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(4,907/2) = −157,8°
PM = 180° + ∠L = 22,18°

الإجابة

PM = 22,18°

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