Signale und Systeme: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Faltung und LTI-Systeme

Diskrete Faltung
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Kontinuierliche Faltung
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Länge und Summe
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Beginn, Ende und Fläche
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Sprung auf e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
System erster Ordnung
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursion erster Ordnung
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusschwingung durch h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplituden der Fourier-Reihe
Rechteck ±A: 4A/(kπ), ungerades k; Dreieck ±A: 8A/(π²k²), ungerades k; Impulsfolge: A·D und (2A/(kπ))|sin kπD|

Methode

  1. Skizziere beide Signale und markiere, wo jedes ungleich null ist.
  2. Spiegle h und schiebe es: Bestimme für jeden Ausgangszeitpunkt den Bereich, in dem sich beide Signale überlappen.
  3. Multipliziere und addiere (diskret) oder multipliziere und integriere (kontinuierlich) nur über diese Überlappung.
  4. Prüfe das Ergebnis: Die Ausgangsgröße beginnt bei der Summe der Anfangszeiten, endet bei der Summe der Endzeiten, und ihre Fläche oder Summe ist das Produkt der Flächen oder Summen der Eingangsgrößen.

2Übungsaufgaben

1.Faltung und LTI-SystemeMittel
x(t)t0,510h(t)t1

Der Impuls x(t) = 10 für 0 ≤ t < 0.5 s (sonst null) wird auf ein System mit h(t) = e−0,5tu(t) gegeben. Bestimme die Ausgangsgröße y(1) bei t = 1 s, nachdem der Impuls geendet hat.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)0,25122

Eine Impulsfolge hat die Höhe 2, die Impulsbreite 0,25 ms und die Periodendauer 1 ms. Bestimme die Amplitude c1 der Oberschwingung der Ordnung 1 bei 1000 Hz.

A = 2τ = 0,25 msT = 1 ms
c1 =
3.Laplace-TransformationenMittel
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Bestimme f(t) für F(s) = (5s + 34)/(s² + 2s + 1) und werte f(1) aus.

F(s) = (5s + 34)/(s² + 2s + 1)t = 1 s
f(1) =
4.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Ein System gehorcht y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t), mit y(0) = 3 und y′(0) = 0. Bei t = 0 wird ein Sprung u(t) = 10 auf den Eingang gegeben. Bestimme mit der Laplace-Transformation y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,1 s
y(0.1) =
5.SprungantwortMittel
t (s)y(t)1

Ein System hat die Übertragungsfunktion G(s) = 17/(s² + 3s + 17) und erhält einen Einheitssprung am Eingang. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

G(s) = 17/(s² + 3s + 17)
ζ =
6.SprungantwortSchwer
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s2 %

Die Sprungantwort eines Systems zweiter Ordnung ohne Nullstellen zeigt 2 % Überschwingen, und das erste Maximum tritt bei t = 0,25 s auf. Bestimme die Eigenkreisfrequenz ωn.

%OS = 2 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
7.Bode-Diagramme und ReservenMittel
vin​L = 10 mHC = 0,22 µFR = 20 Ωvout​

Beim gezeigten Reihen-RLC-Bandpass wird der Ausgang über R = 20 Ω abgegriffen, mit L = 10 mH und C = 0,22 µF. Bestimme die −3-dB-Bandbreite BW in Hz.

R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
8.Bode-Diagramme und ReservenSchwer
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Ein Regelkreis mit Einheitsrückführung hat die Übertragungsfunktion des offenen Kreises L(s) = 2,8/(s(s + 2)). Bestimme die Durchtrittsfrequenz ωc, bei der |L(jω)| = 1 ist.

L(s) = 2,8/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Lösungen

1.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: y(1) = 3,445

Kontinuierliche Faltung: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegle h, verschiebe es an die Position t und integriere das Produkt der überlappenden Teile. Bei kausalen Signalen läuft das Integral von 0 bis t. Nützliche Ergebnisse: Die Fläche von y ist die Fläche von x mal die Fläche von h; dauert x von t₁ bis t₂ und h von t₃ bis t₄, dann dauert y von t₁ + t₃ bis t₂ + t₄. Für h(t) = e−atu(t) und einen Sprung der Höhe A ist y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Ausgangsgröße am Ende des Impulses

y(0,5) = (10/0,5)(1 − e−0,25) = 4,424

Abklingen nach dem Impuls

y(1) = 4,424·e−0,5·0,5 = 3,445

Antwort

y(1) = 3,445
2.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c1 = 0,9003

Impulsantwort und Fourier-Reihe: Die Impulsantwort h(t) beschreibt ein LTI-System vollständig: Für y′ + a·y = b·x ist sie h(t) = b·e−atu(t), und für y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ist sie h[n] = b·aⁿu[n]. Eine Sinusschwingung cos ωt durchläuft das System mit dem Verstärkungsfaktor |H(jω)| und der Phase ∠H(jω), wobei H die Fourier-Transformierte von h ist. Ein periodisches Signal ist eine Summe von Oberschwingungen bei k/T: Eine Rechteckschwingung mit ±A hat nur ungerade Oberschwingungen mit den Amplituden 4A/(kπ), eine Dreieckschwingung mit dem Scheitelwert A hat 8A/(π²k²), und eine Impulsfolge der Höhe A und des Tastgrads D hat den Mittelwert A·D und die Oberschwingungen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Tastgrad

D = 0,25/1 = 0,25

Amplitude der Oberschwingung

c1 = (2·2/(1π))·|sin(1π·0,25)| = 0,9003

Antwort

c1 = 0,9003
3.Laplace-Transformationen

Antwort: f(1) = 12,51

Laplace-Transformation: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt macht aus Ableitungen Multiplikationen mit s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standardpaare: 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), und eine Verschiebung s → s + σ multipliziert die Zeitfunktion mit e−σt. Um eine rationale Funktion F(s) zurückzutransformieren, zerlege sie in Partialbrüche: Das Residuum eines einfachen Pols p ist A = [(s − p)·F(s)] bei s = p. Endwertsatz: f(∞) = lims→0 s·F(s), gültig nur, wenn alle Pole von s·F(s) in der linken Halbebene liegen. Anfangswertsatz: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Nenner in Faktoren zerlegen

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

Partialbruchzerlegung

5s + 34 = 5(s + 1) + 29
F(s) = 5/(s + 1) + 29/(s + 1)²

Rücktransformation

f(t) = 5·e−t + 29·t·e−t
f(1) = (5 + 29·1)·e−1 = 12,51

Antwort

f(1) = 12,51
4.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.1) = 5,832

Laplace-Transformation: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt macht aus Ableitungen Multiplikationen mit s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standardpaare: 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), und eine Verschiebung s → s + σ multipliziert die Zeitfunktion mit e−σt. Um eine rationale Funktion F(s) zurückzutransformieren, zerlege sie in Partialbrüche: Das Residuum eines einfachen Pols p ist A = [(s − p)·F(s)] bei s = p. Endwertsatz: f(∞) = lims→0 s·F(s), gültig nur, wenn alle Pole von s·F(s) in der linken Halbebene liegen. Anfangswertsatz: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Gleichung transformieren

(s² + 11s + 30)·Y(s) = 3s + 33 + 900/s
Y(s) = (3s² + 33s + 900)/(s(s + 5)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 900/(5·6) = 30
B = 810/((−5)·1) = −162
C = 810/((−6)·(−1)) = 135

Ergebnis

y(t) = 30 − 162·e−5t + 135·e−6t
y(0,1) = 5,832

Antwort

y(0,1) = 5,832

Kontrolle: y(0) = A + B + C = 3.

5.Sprungantwort

Antwort: ζ = 0,3638

Sprungantwort: Ein System erster Ordnung G(s) = K/(τs + 1) beantwortet einen Sprung der Größe U mit y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): Es erreicht nach einer Zeitkonstante τ 63,2 % des Endwerts K·U und nach 4τ 98 %. Ein System zweiter Ordnung G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) hat die Pole s = −ζωₙ ± jωd mit ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Für 0 < ζ < 1 schwingt die Sprungantwort über: prozentuales Überschwingen %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), Überschwingzeit (Scheitelzeit) tp = π/ωd und die 2-%-Ausregelzeit ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergleiche den Nenner mit s² + 2ζωₙs + ωₙ², um ωₙ und ζ abzulesen. Für ein Feder-Masse-Dämpfer-System gilt ωₙ = √(k/m) und ζ = c/(2√(km)); für einen Reihen-RLC-Kreis gilt ωₙ = 1/√(LC) und ζ = (R/2)·√(C/L).

Mit der Normalform vergleichen

Der Nenner muss mit s² + 2ζωₙs + ωₙ² übereinstimmen.

ωₙ² = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,123) = 0,3638

Ergebnis

ζ = 0,3638

Antwort

ζ = 0,3638
6.Sprungantwort

Antwort: ωn = 20,07 rad/s

Sprungantwort: Ein System erster Ordnung G(s) = K/(τs + 1) beantwortet einen Sprung der Größe U mit y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): Es erreicht nach einer Zeitkonstante τ 63,2 % des Endwerts K·U und nach 4τ 98 %. Ein System zweiter Ordnung G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) hat die Pole s = −ζωₙ ± jωd mit ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Für 0 < ζ < 1 schwingt die Sprungantwort über: prozentuales Überschwingen %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), Überschwingzeit (Scheitelzeit) tp = π/ωd und die 2-%-Ausregelzeit ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergleiche den Nenner mit s² + 2ζωₙs + ωₙ², um ωₙ und ζ abzulesen. Für ein Feder-Masse-Dämpfer-System gilt ωₙ = √(k/m) und ζ = c/(2√(km)); für einen Reihen-RLC-Kreis gilt ωₙ = 1/√(LC) und ζ = (R/2)·√(C/L).

Dämpfungsgrad

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Eigenfrequenz

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,6261 = 20,07 rad/s

Antwort

ωn = 20,07 rad/s
7.Bode-Diagramme und Reserven

Antwort: BW = 318,3 Hz

Frequenzgang: Setze s = jω in die Übertragungsfunktion ein. Der Betrag in Dezibel ist 20·log₁₀|H(jω)|, und die Phase ist die Summe der Winkel der Zählerfaktoren minus die der Nennerfaktoren. Ein RC- oder RL-Filter erster Ordnung hat seine Eckfrequenz (−3 dB) bei ωc = 1/(RC) beziehungsweise R/L, und fc = ωc/(2π); ein Tiefpass liefert |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) und φ = −atan(ω/ωc). Im asymptotischen (geradlinigen) Bode-Diagramm knickt jeder Pol den Betrag an seiner Eckfrequenz um 20 dB/Dekade nach unten, jede Nullstelle knickt ihn um 20 dB/Dekade nach oben, und ein Integrator 1/s ergibt bei allen Frequenzen −20 dB/Dekade. Durchtrittsfrequenz ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); Phasenreserve PM = 180° + ∠L(jωc). Phasendurchtrittsfrequenz ω180: ∠L(jω) = −180°; Amplitudenreserve GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Der geschlossene Regelkreis ist stabil, wenn beide Reserven positiv sind.

Resonanzfrequenz

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Bandbreite

BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz

Antwort

BW = 318,3 Hz
8.Bode-Diagramme und Reserven

Antwort: ωc = 1,2 rad/s

Frequenzgang: Setze s = jω in die Übertragungsfunktion ein. Der Betrag in Dezibel ist 20·log₁₀|H(jω)|, und die Phase ist die Summe der Winkel der Zählerfaktoren minus die der Nennerfaktoren. Ein RC- oder RL-Filter erster Ordnung hat seine Eckfrequenz (−3 dB) bei ωc = 1/(RC) beziehungsweise R/L, und fc = ωc/(2π); ein Tiefpass liefert |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) und φ = −atan(ω/ωc). Im asymptotischen (geradlinigen) Bode-Diagramm knickt jeder Pol den Betrag an seiner Eckfrequenz um 20 dB/Dekade nach unten, jede Nullstelle knickt ihn um 20 dB/Dekade nach oben, und ein Integrator 1/s ergibt bei allen Frequenzen −20 dB/Dekade. Durchtrittsfrequenz ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); Phasenreserve PM = 180° + ∠L(jωc). Phasendurchtrittsfrequenz ω180: ∠L(jω) = −180°; Amplitudenreserve GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Der geschlossene Regelkreis ist stabil, wenn beide Reserven positiv sind.

Durchtrittsfrequenz

ω⁴ + 4ω² − 7,84 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·7,84))/2 = 1,441
ωc = 1,2 rad/s

Antwort

ωc = 1,2 rad/s

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