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)t−11h(t)t02

संकेत x(t) केवल t = −1 s और t = 1 s के बीच अशून्य है, और h(t) केवल t = 0 s और t = 2 s के बीच। वह समय tend ज्ञात कीजिए जिस पर y(t) = x(t) ∗ h(t) समाप्त होता है।

x: −1 … 1 sh: 0 … 2 s
tend = s
2.संवलन और LTI तंत्रकठिन
2cos(7.5t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

निवेश x(t) = 2·cos(7.5t) को h(t) = 5·e−10tu(t) वाले तंत्र पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था निर्गत का आयाम Ym ज्ञात कीजिए।

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 2cos(7.5t)
Ym =
3.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−1−2−312

वर्ग पूरा करके F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 13) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.6) का मान निकालिए।

F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 13)t = 0.6 s
f(0.6) =
4.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

एक तंत्र y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 1 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 4 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.1 s
y(0.1) =
5.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)1

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 46/(s² + 8s + 46) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। ध्रुव s = σ ± jωd हैं। वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 46/(s² + 8s + 46)
σ =
6.सोपान अनुक्रियाकठिन
k = 5000 N/mc = 134 N·s/mm = 10 kgF = 50 Nx(t)

एक द्रव्यमान m = 10 kg एक स्प्रिंग k = 5000 N/m पर एक श्यान अवमंदक c = 134 N·s/m के साथ लटका है (m·x″ + c·x′ + k·x = F)। संतुलन में विराम की अवस्था में अचानक एक स्थिर बल F = 50 N लगाया जाता है। वह समय tp ज्ञात कीजिए जिस पर विस्थापन सबसे बड़ा है।

m = 10 kgk = 5000 N/mc = 134 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.बोडे आरेख और सीमाएँमध्यम
vin​L = 100 mHR = 47 Ωvout​

दर्शाए गए RL निम्न-पारक फ़िल्टर में R = 47 Ω, L = 100 mH है। 37 Hz का एक ज्यावक्रीय निवेश लगाया जाता है। dB में लब्धि |H| = |vout/vin| ज्ञात कीजिए।

R = 47 ΩL = 100 mHf = 37 Hz
|H| = dB
8.बोडे आरेख और सीमाएँकठिन
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

एकल-पुनर्भरण पाश का खुला-पाश अंतरण फलन L(s) = 7.2/(s(s + 2)) है। कला सीमा PM डिग्री में ज्ञात कीजिए।

L(s) = 7.2/(s(s + 2))
PM = °

3विलयन

1.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: tend = 3 s

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)।

आरंभ और अंत

tstart = −1 + 0 = −1 s
tend = 1 + 2 = 3 s

उत्तर

tend = 3 s

उत्तर

tend = 3 s
2.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: Ym = 0.8

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।

आवृत्ति अनुक्रिया

H(jω) = 5/(10 + jω)

निवेश आवृत्ति पर लब्धि

|H(j7.5)| = 5/√(10² + 7.5²) = 0.4
Ym = 2·0.4 = 0.8

उत्तर

Ym = 0.8
3.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.6) = −0.5479

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)।

वर्ग पूरा करें

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

अंश का मिलान करें

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (−11/2)·2/((s + 3)² + 2²)

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = e−3t·(5·cos 2t − 5.5·sin 2t)
f(0.6) = e−3·0.6·(5·cos(2·0.6) − 5.5·sin(2·0.6)) = −0.5479

उत्तर

f(0.6) = −0.5479
4.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.1) = 1.734

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) = 1s + 11 + 240/s
Y(s) = (s² + 11s + 240)/(s(s + 5)(s + 6))

आंशिक भिन्न

A = 240/(5·6) = 8
B = 210/((−5)·1) = −42
C = 210/((−6)·(−1)) = 35

परिणाम

y(t) = 8 − 42·e−5t + 35·e−6t
y(0.1) = 1.734

उत्तर

y(0.1) = 1.734

जाँच: y(0) = A + B + C = 1।

5.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: σ = −4

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 = 46 → ωₙ = 6.782 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6.782) = 0.5898

परिणाम

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

उत्तर

σ = −4
6.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: tp = 0.1473 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)।

प्राकृतिक आवृत्ति और अवमंदन अनुपात

ωₙ = √(k/m) = √(5000/10) = 22.36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 134/(2·√(5000·10)) = 0.2996

परिणाम

ωd = 21.33 rad/s
tp = π/ωd = 0.1473 s

उत्तर

tp = 0.1473 s
7.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: |H| = −0.9505 dB

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।

कोना आवृत्ति

ωc = R/L = 47/0.1 = 470 rad/s
fc = 74.8 Hz → f/fc = 37/74.8 = 0.4946

लब्धि

|H| = 1/√(1 + 0.4946²) = 0.8963
20·log₁₀(0.8963) = −0.9505 dB

उत्तर

|H| = −0.9505 dB
8.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: PM = 40.53 °

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।

लब्धि क्रॉसओवर

ω⁴ + 4ω² − 51.84 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·51.84))/2 = 5.473
ωc = 2.339 rad/s

कला सीमा

∠L(jωc) = −90° − atan(2.339/2) = −139.5°
PM = 180° + ∠L = 40.53°

उत्तर

PM = 40.53°

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