يُلتَفّ بين النبضة x(t) = 5 لـ 0 ≤ t < 2 s والدالة h(t)، وهي مثلث يهبط خطيًا من 1 عند t = 0 إلى 0 عند t = 4 s. أوجد المساحة Ay تحت y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(4) = 0
Ay =
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
يحقق نظام المعادلة y[n] = 0,8·y[n − 1] + 4·x[n] ويبدأ من السكون. أوجد عينة استجابة نبضته h[5].
y[n] = 0,8y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
F(s) = (3s + 9)/(s² + 10s + 16). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−2t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.
F(s) = (3s + 9)/(s² + 10s + 16)
A =
4.تحويلات لابلاسصعبة
حلّ y″ + 6y′ + 8y = 0 مع y(0) = 4 و y′(0) = −7 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,3).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = −7t = 0,3 s
y(0.3) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
لنظام دالة النقل G(s) = 219/(s² + 4s + 73) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد نسبة التخميد ζ.
G(s) = 219/(s² + 4s + 73)
ζ =
6.الاستجابة الخطويةصعبة
كتلة m = 2,5 kg معلّقة بنابض k = 200 N/m مع مخمّد لزج c = 18 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 5 N. أوجد نسبة التخميد ζ.
m = 2,5 kgk = 200 N/mc = 18 N·s/mF = 5 N
ζ =
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
أوجد الطور ∠G(jω) لـ G(s) = 31(s + 13)/(s(s + 8)) عند ω = 3 rad/s، بالدرجات.
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 = 5·2 = 10
∫h dt = ½·4·1 = 2
مساحة الخرج
Ay = 10·2 = 20
الإجابة
Ay = 20
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا
الإجابة: h[5] = 1,311
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
h[0] = 4
h[1] = 3,2
h[2] = 2,56
h[3] = 2,048
h[4] = 1,638
h[5] = 1,311
النتيجة
h[5] = 4·(0,8)5 = 1,311
الإجابة
h[5] = 1,311
3.تحويلات لابلاس
الإجابة: A = 0,5
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 + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)
قاعدة التغطية
اضرب في (s + 2) وضع s = −2: يختفي حدّ B.
A = (3s + 9)/(s + 8) |s = −2 = 3/6 = 0,5
الإجابة
A = 0,5
(B = 2,5، لذا f(t) = 0,5·e−2t + 2,5·e−8t)
4.تحويلات لابلاس
الإجابة: y(0.3) = 2,319
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 − 4s − (−7) + 6(sY − 4) + 8Y = 0
Y(s) = (4s + 17)/((s + 2)(s + 4))
الكسور الجزئية
A = 9/2 = 4,5
B = 1/(−2) = −0,5
النتيجة
y(t) = 4,5·e−2t − 0,5·e−4t
y(0,3) = 2,319
الإجابة
y(0,3) = 2,319
تحقّق: y(0) = A + B = 4.
5.الاستجابة الخطوية
الإجابة: ζ = 0,2341
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 = 4 → ζ = 4/(2·8,544) = 0,2341
النتيجة
ζ = 0,2341
الإجابة
ζ = 0,2341
6.الاستجابة الخطوية
الإجابة: ζ = 0,4025
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) = √(200/2,5) = 8,944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(200·2,5)) = 0,4025
النتيجة
ζ = 0,4025
الإجابة
ζ = 0,4025
7.مخططات بودي والهوامش
الإجابة: ∠G(jω) = −97,56 °
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.
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.