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)t110h(t)t14

Der Impuls x(t) = 10 für 0 ≤ t < 1 s wird mit h(t) gefaltet, einem Dreieck, das linear von 4 bei t = 0 auf 0 bei t = 1 s fällt. Bestimme die Fläche Ay unter y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 4, h(1) = 0
Ay =
2.Faltung und LTI-SystemeSchwer
x(t)t (ms)2,551010−10

Eine Rechteckschwingung wechselt zwischen +10 und −10 mit der Periodendauer T = 5 ms (je eine halbe Periode auf jedem Pegel). Bestimme die Amplitude c3 ihrer Fourier-Komponente bei 600 Hz.

±10T = 5 msf = 600 Hz
c3 =
3.Laplace-TransformationenMittel
ReIm−2−42

Bestimme f(t) für F(s) = 15/(s² + 8s + 25) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,25) aus.

F(s) = 15/(s² + 8s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace-TransformationenSchwer
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Löse y″ + 9y′ + 18y = 0 mit y(0) = 5 und y′(0) = −10 mit der Laplace-Transformation und bestimme y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 5y′(0) = −10t = 0,2 s
y(0.2) =
5.SprungantwortMittel
t (s)y(t)1ts​ = ?

Ein System hat die Übertragungsfunktion G(s) = 33/(s² + 5s + 33) und erhält einen Einheitssprung am Eingang. Bestimme die 2-%-Ausregelzeit ts der Sprungantwort mit ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 33/(s² + 5s + 33)
ts = s
6.SprungantwortSchwer
t (s)y(t)150 %

Ein System zweiter Ordnung ohne Nullstellen soll eine Sprungantwort mit 50 % Überschwingen haben. Bestimme den Dämpfungsgrad ζ.

%OS = 50 %
ζ =
7.Bode-Diagramme und ReservenMittel
vin​L = 20 mHC = 0,1 µFR = 10 Ωvout​

Beim gezeigten Reihen-RLC-Bandpass wird der Ausgang über R = 10 Ω abgegriffen, mit L = 20 mH und C = 0,1 µF. Bestimme die Mittenfrequenz (Resonanzfrequenz) f0 in Hz.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,1 µF
f0 = Hz
8.Bode-Diagramme und ReservenSchwer
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Ein Regelkreis mit Einheitsrückführung hat die Übertragungsfunktion des offenen Kreises L(s) = 48/(s(s + 2)). Bestimme die Phasenreserve PM in Grad.

L(s) = 48/(s(s + 2))
PM = °

3Lösungen

1.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: Ay = 20

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).

Flächen der Eingangssignale

∫x dt = 10·1 = 10
∫h dt = ½·1·4 = 2

Fläche der Ausgangsgröße

Ay = 10·2 = 20

Antwort

Ay = 20
2.Faltung und LTI-Systeme

Antwort: c3 = 4,244

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)|.

Ordnung der Oberschwingung

f₀ = 1/T = 200 Hz → k = 600/200 = 3

Amplitude

c3 = 4·10/(3π) = 4,244

Antwort

c3 = 4,244
3.Laplace-Transformationen

Antwort: f(0.25) = 1,254

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).

Quadratische Ergänzung

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Zähler anpassen

F(s) = (15/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Rücktransformation

f(t) = e−4t·(5·sin 3t)
f(0,25) = e−4·0,25·(5·sin(3·0,25)) = 1,254

Antwort

f(0,25) = 1,254
4.Laplace-Transformationen

Antwort: y(0.2) = 3,157

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

s²Y − 5s − (−10) + 9(sY − 5) + 18Y = 0
Y(s) = (5s + 35)/((s + 3)(s + 6))

Partialbruchzerlegung

A = 20/3 = 6,667
B = 5/(−3) = −1,667

Ergebnis

y(t) = 6,667·e−3t − 1,667·e−6t
y(0,2) = 3,157

Antwort

y(0,2) = 3,157

Kontrolle: y(0) = A + B = 5.

5.Sprungantwort

Antwort: ts = 1,6 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).

Mit der Normalform vergleichen

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

ωₙ² = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,745) = 0,4352

Ergebnis

ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Antwort

ts = 1,6 s
6.Sprungantwort

Antwort: ζ = 0,2155

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(0,5)/√(π² + ln²(0,5)) = 0,6931/√(9,87 + 0,4805) = 0,2155

Antwort

ζ = 0,2155
7.Bode-Diagramme und Reserven

Antwort: f0 = 3559 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/√(0,02·1 × 10⁻⁷) = 22361 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3559 Hz

Antwort

f0 = 3559 Hz
8.Bode-Diagramme und Reserven

Antwort: PM = 16,42 °

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 − 2304 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·2304))/2 = 46,04
ωc = 6,785 rad/s

Phasenreserve

∠L(jωc) = −90° − atan(6,785/2) = −163,6°
PM = 180° + ∠L = 16,42°

Antwort

PM = 16,42°

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