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)t5h(t)t1

يُطبَّق الدخل x(t) = 5·e−3tu(t) على نظام فيه h(t) = e−1tu(t). أوجد الخرج y(0,25) عند t = 0,25 s.

x(t) = 5·e−3tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
x(t)t (ms)24810−10

تصعد موجة مثلثية وتهبط خطيًا بين −10 و+10 بدور T = 4 ms. أوجد سعة c3 مركّبتها الفورييهية عند 750 Hz.

±10T = 4 msf = 750 Hz
c3 =
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−55

أوجد f(t) للدالة F(s) = (5s + 28)/(s² + 4s + 40) بإكمال المربّع، واحسب f(0,75).

F(s) = (5s + 28)/(s² + 4s + 40)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

حلّ y″ + 6y′ + 8y = 0 مع y(0) = −1 و y′(0) = −3 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,25).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = −1y′(0) = −3t = 0,25 s
y(0.25) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 219/(s² + 11s + 73) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 219/(s² + 11s + 73)
ts = s
6.الاستجابة الخطويةصعبة
+−12 VR = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 71 Ω وL = 10 mH وC = 2 µF موصولة بخطوة جهد 12 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 12 V
ωn = rad/s
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 20 mHC = 1 µFR = 50 Ωvout​

في مرشح تمرير النطاق RLC على التسلسل الموضح، يؤخذ الخرج على R = 50 Ω، مع L = 20 mH وC = 1 µF. أوجد معامل الجودة Q.

R = 50 ΩL = 20 mHC = 1 µF
Q =
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) = 100/(s(s + 5)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 100/(s(s + 5))
PM = °

3المحاليل

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(0.25) = 0,7661

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).

تكامل الالتفاف

y(t) = 5e−1t∫₀ᵗ e−(3 − 1)τ dτ = 5(e−1t − e−3t)/(2)

احسب

y(0,25) = 5·(0,7788 − 0,4724)/(2) = 0,7661

الإجابة

y(0,25) = 0,7661
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: c3 = 0,9006

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)|.

رقم التوافقي

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 3

السعة

c3 = 8·10/(π²·3²) = 0,9006

الإجابة

c3 = 0,9006
3.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.75) = −0,8895

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 + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

طابق البسط

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (18/6)·6/((s + 2)² + 6²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(5·cos 6t + 3·sin 6t)
f(0,75) = e−2·0,75·(5·cos(6·0,75) + 3·sin(6·0,75)) = −0,8895

الإجابة

f(0,75) = −0,8895
4.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.25) = −1,203

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 − (−1)s − (−3) + 6(sY − (−1)) + 8Y = 0
Y(s) = (−s − 9)/((s + 2)(s + 4))

الكسور الجزئية

A = −7/2 = −3,5
B = −5/(−2) = 2,5

النتيجة

y(t) = −3,5·e−2t + 2,5·e−4t
y(0,25) = −1,203

الإجابة

y(0,25) = −1,203

تحقّق: y(0) = A + B = −1.

5.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 0,7273 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 = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,544) = 0,6437

النتيجة

ζωₙ = 5,5 → ts ≈ 4/5,5 = 0,7273 s

الإجابة

ts = 0,7273 s
6.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 7071 rad/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).

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (71/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,01) = 0,502

النتيجة

ωₙ = 7071 rad/s

الإجابة

ωn = 7071 rad/s
7.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: Q = 2,828

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 الرنين

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1125 Hz

معامل الجودة

BW = R/L = 50/0,02 = 2500 rad/s = 397,9 Hz
Q = ω₀/BW = 7071/2500 = 2,828

الإجابة

Q = 2,828
8.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 28,02 °

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 + 25ω² − 10000 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·10000))/2 = 88,28
ωc = 9,396 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(9,396/5) = −152°
PM = 180° + ∠L = 28,02°

الإجابة

PM = 28,02°

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