Skizziere beide Signale und markiere, wo jedes ungleich null ist.
Spiegle h und schiebe es: Bestimme für jeden Ausgangszeitpunkt den Bereich, in dem sich beide Signale überlappen.
Multipliziere und addiere (diskret) oder multipliziere und integriere (kontinuierlich) nur über diese Überlappung.
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
Ein System hat die Impulsantwort h(t) = e−5tu(t). Die Eingangsgröße ist ein Sprung x(t) = 1·u(t). Bestimme die Ausgangsgröße y(1,2) bei t = 1,2 s.
h(t) = e−5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 1,2 s
y(1.2) =
2.Faltung und LTI-SystemeSchwer
Eine Rechteckschwingung wechselt zwischen 4 und 0 mit der Periodendauer T = 2 ms (je eine halbe Periode auf jedem Pegel). Bestimme die Amplitude c1 ihrer Fourier-Komponente bei 500 Hz.
0 … 4T = 2 msf = 500 Hz
c1 =
3.Laplace-TransformationenMittel
Bestimme f(t) für F(s) = 34/(s² + 6s + 18) mit quadratischer Ergänzung und werte f(0,5) aus.
F(s) = 34/(s² + 6s + 18)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Laplace-TransformationenSchwer
Ein System wird durch die Differentialgleichung y″ + 4y′ + 29y = 19u beschrieben, mit Eingang u(t) und Ausgang y(t). Bestimme seine Übertragungsfunktion G(s) = Y(s)/U(s) (Anfangsbedingungen null) und werte die Impulsantwort g(t) bei t = 0,25 s aus. Bestimme g(0,25).
y″ + 4y′ + 29y = 19ut = 0,25 s
g(0.25) =
5.SprungantwortMittel
Ein System hat die Übertragungsfunktion G(s) = 7,5/(s² + 5s + 15) und erhält einen Einheitssprung am Eingang. Bestimme die Eigenkreisfrequenz ωn in rad/s.
G(s) = 7,5/(s² + 5s + 15)
ωn = rad/s
6.SprungantwortSchwer
Ein Regelkreis mit Einheits-Gegenkopplung hat G(s) = K/(s(s + 6)). Bestimme die Verstärkung K, die eine Sprungantwort mit 2 % Überschwingen ergibt.
G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 2 %
K =
7.Bode-Diagramme und ReservenMittel
Beim gezeigten Reihen-RLC-Bandpass wird der Ausgang über R = 100 Ω abgegriffen, mit L = 50 mH und C = 1 µF. Bestimme die Mittenfrequenz (Resonanzfrequenz) f0 in Hz.
R = 100 ΩL = 50 mHC = 1 µF
f0 = Hz
8.Bode-Diagramme und ReservenSchwer
Ein Regelkreis mit Einheitsrückführung hat die Übertragungsfunktion des offenen Kreises L(s) = 40/(s(s + 10)). Bestimme die Durchtrittsfrequenz ωc, bei der |L(jω)| = 1 ist.
L(s) = 40/(s(s + 10))
ωc = rad/s
3Lösungen
1.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: y(1.2) = 0,1995
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).
Faltung mit einem Sprung
y(t) = 1·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (1/5)·(1 − e−5t)
Auswerten
y(1,2) = 0,2·(1 − e−6) = 0,1995
Antwort
y(1,2) = 0,1995
2.Faltung und LTI-Systeme
Antwort: c1 = 2,546
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 = 500 Hz → k = 500/500 = 1
Amplitude
c1 = 4·2/(1π) = 2,546
Antwort
c1 = 2,546
3.Laplace-Transformationen
Antwort: f(0.5) = 2,522
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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²
Zähler anpassen
F(s) = (34/3)·3/((s + 3)² + 3²)
Rücktransformation
f(t) = e−3t·(11,33·sin 3t)
f(0,5) = e−3·0,5·(11,33·sin(3·0,5)) = 2,522
Antwort
f(0,5) = 2,522
4.Laplace-Transformationen
Antwort: g(0.25) = 2,187
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).
Übertragungsfunktion
G(s) = Y(s)/U(s) = 19/(s² + 4s + 29)
Partialbruchzerlegung
s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = (19/5)·5/((s + 2)² + 5²)
Impulsantwort
g(t) = e−2t·(3,8·sin 5t)
g(0,25) = 2,187
Antwort
g(0,25) = 2,187
5.Sprungantwort
Antwort: ωn = 3,873 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).
Mit der Normalform vergleichen
Der Nenner muss mit s² + 2ζωₙs + ωₙ² übereinstimmen.
ωₙ² = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,873) = 0,6455
Ergebnis
ωₙ = 3,873 rad/s
Antwort
ωn = 3,873 rad/s
6.Sprungantwort
Antwort: K = 14,8
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).
Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises
T(s) = K/(s² + 6s + K)
Dämpfungsgrad aus dem Überschwingen
ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797
Verstärkung
ωₙ = 6/(2ζ) = 3,848 rad/s
K = ωₙ² = 14,8
Antwort
K = 14,8
7.Bode-Diagramme und Reserven
Antwort: f0 = 711,8 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/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz
Antwort
f0 = 711,8 Hz
8.Bode-Diagramme und Reserven
Antwort: ωc = 3,746 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.