सिग्नल और तंत्र: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

संवलन और LTI तंत्र

असतत संवलन
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
संतत संवलन
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
लंबाई और योग
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
आरंभ, अंत और क्षेत्रफल
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t) में सोपान
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
प्रथम-कोटि तंत्र
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
प्रथम-कोटि पुनरावृत्ति
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t) से गुज़रता ज्यावक्रीय संकेत
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
फूरिए श्रेणी के आयाम
वर्ग ±A: 4A/(kπ), विषम k; त्रिभुज ±A: 8A/(π²k²), विषम k; स्पंद श्रेणी: A·D और (2A/(kπ))|sin kπD|

विधि

  1. दोनों संकेतों का आरेख बनाइए और देखिए कि हर एक कहाँ अशून्य है।
  2. h को उलटिए और खिसकाइए: हर निर्गत समय के लिए वह परास ढूँढिए जहाँ दोनों संकेत अतिव्यापी हों।
  3. केवल उसी अतिव्यापन पर गुणा करके जोड़िए (असतत) या गुणा करके समाकलन कीजिए (संतत)।
  4. परिणाम जाँचिए: निर्गत आरंभ-समयों के योग पर शुरू होता है, अंत-समयों के योग पर समाप्त होता है, और उसका क्षेत्रफल या योग निवेशों के क्षेत्रफलों या योगों का गुणनफल होता है।

2अभ्यास प्रश्न

1.संवलन और LTI तंत्रमध्यम
x(t)t12h(t)t45

स्पंद x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 s के लिए (अन्यत्र शून्य), आवेग अनुक्रिया h(t) = 5, 0 ≤ t < 4 s के लिए (अन्यत्र शून्य) वाले तंत्र पर लगाया जाता है। t = 3.5 s पर निर्गत y(3.5) ज्ञात कीजिए।

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 3.5 s
y(3.5) =
2.संवलन और LTI तंत्रकठिन
u[n]2+y[n]0.6·z⁻¹+

एक तंत्र y[n] = 0.6·y[n − 1] + 2·x[n] का पालन करता है और विरामावस्था से शुरू होता है। निवेश एकांक सोपान x[n] = u[n] है। y[5] ज्ञात कीजिए।

y[n] = 0.6y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.लाप्लास रूपांतरमध्यम
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

F(s) = (4s + 33)/(s² + 4s + 4) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए और f(1) का मान निकालिए।

F(s) = (4s + 33)/(s² + 4s + 4)t = 1 s
f(1) =
4.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

एक तंत्र y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 3 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 1 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.1 s
y(0.1) =
5.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)2?

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 14/(s² + 2s + 7) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।

G(s) = 14/(s² + 2s + 7)
%OS = %
6.सोपान अनुक्रियाकठिन
t (s)y(t)1tp​ = 0.8 s4.3 %

शून्यों के बिना एक द्वितीय-कोटि तंत्र की सोपान अनुक्रिया 4.3 % अतिलंघन दिखाती है, और पहला शिखर t = 0.8 s पर आता है। प्राकृतिक आवृत्ति ωn ज्ञात कीजिए।

%OS = 4.3 %tp = 0.8 s
ωn = rad/s
7.बोडे आरेख और सीमाएँमध्यम
|H| (dB)0.10.1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 3

G(s) = 10(s + 9)/(s(s + 4)) की ω = 3 rad/s पर कला ∠G(jω) डिग्री में ज्ञात कीजिए।

G(s) = 10(s + 9)/(s(s + 4))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
8.बोडे आरेख और सीमाएँकठिन
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

एकल-पुनर्भरण पाश का खुला-पाश अंतरण फलन L(s) = 128/(s(s + 3)(s + 6)) है। कला क्रॉसओवर आवृत्ति ω180 ज्ञात कीजिए, जहाँ ∠L(jω) = −180°।

L(s) = 128/(s(s + 3)(s + 6))
ω180 = rad/s

3विलयन

1.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: y(3.5) = 10

संतत संवलन: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ। h को उलटिए, उसे स्थिति t तक खिसकाइए और अतिव्यापी भागों के गुणनफल का समाकलन कीजिए। कार्य-कारण संकेतों के लिए समाकल 0 से t तक चलता है। उपयोगी परिणाम: y का क्षेत्रफल x के क्षेत्रफल गुणा h के क्षेत्रफल के बराबर होता है; यदि x, t₁ से t₂ तक रहता है और h, t₃ से t₄ तक, तो y, t₁ + t₃ से t₂ + t₄ तक रहता है। h(t) = e−atu(t) और ऊँचाई A के सोपान के लिए y(t) = (A/a)(1 − e−at)।

उलटे स्पंद का अतिव्यापन

h(t − τ) h का वह स्पंद है जिसे उलटकर इस तरह खिसकाया गया है कि वह τ = t पर समाप्त हो।

τ ∈ [0, 1] → लंबाई 1 s

समाकल

y(3.5) = 2·5·1 = 10

उत्तर

y(3.5) = 10

y(t) एक समलंब है: यह 0 से बढ़ता है, 10 पर टिकता है और t = 5 s पर वापस 0 पर आ जाता है।

2.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: y[5] = 4.767

आवेग अनुक्रिया और फूरिए श्रेणी: आवेग अनुक्रिया h(t) किसी LTI तंत्र का पूरा वर्णन करती है: y′ + a·y = b·x के लिए यह h(t) = b·e−atu(t) है, और y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] के लिए h[n] = b·aⁿu[n]। ज्यावक्रीय cos ωt लब्धि |H(jω)| और कला ∠H(jω) के साथ गुज़रता है, जहाँ H, h का फूरिए रूपांतर है। आवर्ती संकेत k/T पर हार्मोनिकों का योग है: ±A का वर्ग तरंग केवल विषम हार्मोनिक रखता है जिनके आयाम 4A/(kπ) हैं, शिखर A की त्रिभुज तरंग में 8A/(π²k²) होता है, और ऊँचाई A तथा कर्तव्य चक्र D की स्पंद श्रेणी का माध्य A·D और हार्मोनिक (2A/(kπ))·|sin(kπD)| होते हैं।

पुनरावृत्ति

y[0] = 2
y[1] = 3.2
y[2] = 3.92
y[3] = 4.352
y[4] = 4.611
y[5] = 4.767

परिणाम

y[5] = 2·(1 − (0.6)6)/(1 − 0.6) = 4.767

उत्तर

y[5] = 4.767
3.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(1) = 3.925

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 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), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

हर का गुणनखंड करें

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

आंशिक भिन्न

4s + 33 = 4(s + 2) + 25
F(s) = 4/(s + 2) + 25/(s + 2)²

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 4·e−2t + 25·t·e−2t
f(1) = (4 + 25·1)·e−2·1 = 3.925

उत्तर

f(1) = 3.925
4.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.1) = 2.79

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 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), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

समीकरण का रूपांतर करें

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

आंशिक भिन्न

A = 30/(5·6) = 1
B = −60/((−5)·1) = 12
C = −60/((−6)·(−1)) = −10

परिणाम

y(t) = 1 + 12·e−5t − 10·e−6t
y(0.1) = 2.79

उत्तर

y(0.1) = 2.79

जाँच: y(0) = A + B + C = 3।

5.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: %OS = 27.73 %

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

मानक रूप से तुलना करें

हर s² + 2ζωₙs + ωₙ² से मेल खाना चाहिए।

ωₙ² = 7 → ωₙ = 2.646 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2.646) = 0.378

परिणाम

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.283 = 27.73 %

उत्तर

%OS = 27.73 %
6.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ωn = 5.558 rad/s

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.043)/√(π² + ln²(0.043)) = 3.147/√(9.87 + 9.901) = 0.7077

प्राकृतिक आवृत्ति

ωd = π/tp = π/0.8 = 3.927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.927/0.7065 = 5.558 rad/s

उत्तर

ωn = 5.558 rad/s
7.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: ∠G(jω) = −108.4 °

आवृत्ति अनुक्रिया: अंतरण फलन में s = jω रखिए। डेसिबल में परिमाण 20·log₁₀|H(jω)| है और कला अंश के गुणनखंडों के कोणों के योग में से हर के गुणनखंडों के कोण घटाने पर मिलती है। प्रथम कोटि RC या RL फ़िल्टर की कोना (−3 dB) आवृत्ति ωc = 1/(RC) या R/L पर होती है, और fc = ωc/(2π); निम्न-पारक फ़िल्टर |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) और φ = −atan(ω/ωc) देता है। अनंतस्पर्शी (सीधी रेखा) बोडे आरेख में हर ध्रुव अपनी कोना आवृत्ति पर परिमाण को 20 dB/दशक से नीचे मोड़ता है, हर शून्य उसे 20 dB/दशक से ऊपर मोड़ता है, और समाकलक 1/s सभी आवृत्तियों पर −20 dB/दशक देता है। लब्धि क्रॉसओवर ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); कला सीमा PM = 180° + ∠L(jωc)। कला क्रॉसओवर ω180: ∠L(jω) = −180°; लब्धि सीमा GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB। दोनों सीमाएँ धनात्मक होने पर बंद पाश स्थिर होता है।

कोण जोड़िए

∠G = atan(3/9) − 90° − atan(3/4) = 18.43° − 90° − 36.87°

परिणाम

∠G(j3) = −108.4°

उत्तर

∠G(jω) = −108.4°
8.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: ω180 = 4.243 rad/s

आवृत्ति अनुक्रिया: अंतरण फलन में s = jω रखिए। डेसिबल में परिमाण 20·log₁₀|H(jω)| है और कला अंश के गुणनखंडों के कोणों के योग में से हर के गुणनखंडों के कोण घटाने पर मिलती है। प्रथम कोटि RC या RL फ़िल्टर की कोना (−3 dB) आवृत्ति ωc = 1/(RC) या R/L पर होती है, और fc = ωc/(2π); निम्न-पारक फ़िल्टर |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) और φ = −atan(ω/ωc) देता है। अनंतस्पर्शी (सीधी रेखा) बोडे आरेख में हर ध्रुव अपनी कोना आवृत्ति पर परिमाण को 20 dB/दशक से नीचे मोड़ता है, हर शून्य उसे 20 dB/दशक से ऊपर मोड़ता है, और समाकलक 1/s सभी आवृत्तियों पर −20 dB/दशक देता है। लब्धि क्रॉसओवर ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); कला सीमा PM = 180° + ∠L(jωc)। कला क्रॉसओवर ω180: ∠L(jω) = −180°; लब्धि सीमा GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB। दोनों सीमाएँ धनात्मक होने पर बंद पाश स्थिर होता है।

कला क्रॉसओवर

(ω/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4.243 rad/s

उत्तर

ω180 = 4.243 rad/s

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