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)t4h(t)t1

يُطبَّق الدخل x(t) = 4·e−6tu(t) على نظام فيه h(t) = e−0,5tu(t). أوجد الخرج y(0,5) عند t = 0,5 s.

x(t) = 4·e−6tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
δ(t)y′ + 10y = 5xh(t)

يحقق نظام المعادلة y′(t) + 10·y(t) = 5·x(t). أوجد استجابة نبضته عند t = 0,1 s، h(0,1).

y′ + 10y = 5xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

F(s) = (2s + 29)/(s² + 9s + 14). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−2t + B·e−7t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (2s + 29)/(s² + 9s + 14)
A =
4.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−162

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 2y′ + 5y = u′ + 15u، 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 = 1,2 s. أوجد g(1,2).

y″ + 2y′ + 5y = u′ + 15ut = 1,2 s
g(1.2) =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 18/(s² + 6s + 18) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 18/(s² + 6s + 18)
ts = s
6.الاستجابة الخطويةصعبة
k = 800 N/mc = 20 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 Nx(t)

كتلة m = 0,5 kg معلّقة بنابض k = 800 N/m مع مخمّد لزج c = 20 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 25 N. أوجد أكبر إزاحة xmax بوحدة mm.

m = 0,5 kgk = 800 N/mc = 20 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
7.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 20 mHC = 4,7 µFR = 5 Ωvout​

في مرشح تمرير النطاق RLC على التسلسل الموضح، يؤخذ الخرج على R = 5 Ω، مع L = 20 mH وC = 4,7 µF. أوجد عرض النطاق عند −3 dB BW بالهرتز.

R = 5 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
8.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 810/(s(s + 8)(s + 10)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 810/(s(s + 8)(s + 10))
GM = dB

3المحاليل

1.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(0.5) = 0,5302

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) = 4e−0,5t∫₀ᵗ e−(6 − 0,5)τ dτ = 4(e−0,5t − e−6t)/(5,5)

احسب

y(0,5) = 4·(0,7788 − 0,04979)/(5,5) = 0,5302

الإجابة

y(0,5) = 0,5302
2.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: h(0.1) = 1,839

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)|.

دالة التحويل

H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 10)

استجابة النبضة

h(t) = 5·e−10tu(t)
h(0,1) = 5·e−1 = 1,839

الإجابة

h(0,1) = 1,839
3.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 2) وضع s = −2: يختفي حدّ B.

A = (2s + 29)/(s + 7) |s = −2 = 25/5 = 5

الإجابة

A = 5
(B = −3، لذا f(t) = 5·e−2t − 3·e−7t)
4.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(1.2) = 1,202

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) = (s + 15)/(s² + 2s + 5)

الكسور الجزئية

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (14/2)·2/((s + 1)² + 2²)

استجابة النبضة

g(t) = e−t·(cos 2t + 7·sin 2t)
g(1,2) = 1,202

الإجابة

g(1,2) = 1,202
5.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 1,333 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 = 18 → ωₙ = 4,243 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,243) = 0,7071

النتيجة

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

الإجابة

ts = 1,333 s
6.الاستجابة الخطوية

الإجابة: xmax = 36,34 mm

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) = √(800/0,5) = 40 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 20/(2·√(800·0,5)) = 0,5

النتيجة

xst = F/k = 25/800 m = 31,25 mm
%OS = 16,3 %
xmax = 31,25·(1 + 0,163) = 36,34 mm

الإجابة

xmax = 36,34 mm
7.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: BW = 39,79 Hz

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/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz

عرض النطاق

BW = R/L = 5/0,02 = 250 rad/s = 39,79 Hz

الإجابة

BW = 39,79 Hz
8.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 4,998 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/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8,944 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 100)) = K/(8·10·(8 + 10)) = K/1440

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(1440/810) = 4,998 dB

الإجابة

GM = 4,998 dB

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