信号とシステム:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

たたみ込みと LTI システム

離散たたみ込み
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
連続たたみ込み
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
長さと和
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
始まり、終わり、面積
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t) へのステップ入力
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
1 次系
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
1 次の漸化式
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t) を通る正弦波
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
フーリエ級数の振幅
方形波 ±A:4A/(kπ)、奇数 k;三角波 ±A:8A/(π²k²)、奇数 k;パルス列:A·D と (2A/(kπ))|sin kπD|

解き方

  1. 2 つの信号をスケッチし、それぞれが 0 でない範囲を書き込みます。
  2. h を反転してずらします:各出力時刻について、両方の信号が重なる範囲を求めます。
  3. その重なりの範囲だけで、掛けて足し合わせる(離散)か、掛けて積分します(連続)。
  4. 結果を確認しましょう:出力は開始時刻の和から始まり、終了時刻の和で終わり、その面積または和は、入力の面積または和の積になります。

2演習問題

1.たたみ込みと LTI システムふつう
x(t)t22h(t)t45

パルス x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 5(0 ≤ t < 4 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 2.5 s での出力 y(2.5) を求めなさい。

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 2.5 s
y(2.5) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)0.5124−4

三角波が周期 T = 1 ms で −4 と +4 の間を直線的に上昇・下降します。5000 Hz のフーリエ成分の振幅 c5 を求めなさい。

±4T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =
3.ラプラス変換ふつう
ReIm−2−4−6−824

F(s) = (5s + 39)/(s² + 6s + 25) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.4) を計算せよ。

F(s) = (5s + 39)/(s² + 6s + 25)t = 0.4 s
f(0.4) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 5、y′(0) = −13 の条件で y″ + 9y′ + 20y = 0 を解き、y(0.3) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 5y′(0) = −13t = 0.3 s
y(0.3) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 132/(s² + 2s + 44) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 132/(s² + 2s + 44)
tp = s
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+65s(s + 8)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 65/(s(s + 8)) である。ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、閉ループのステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 65/(s(s + 8))
ts = s
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 470 ΩL = 2.2 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 470 Ω, L = 2.2 mH です。8.5 kHz の正弦波入力が加えられます。 ゲイン |H| = |vout/vin| を dB で求めよ。

R = 470 ΩL = 2.2 mHf = 8.5 kHz
|H| = dB
8.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)) である。 ゲイン余裕が 4 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))GM = 4 dB
K =

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(2.5) = 20

連続たたみ込み:y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ。h を反転し、位置 t までずらし、重なる部分の積を積分します。因果的な信号では、積分は 0 から t までです。役に立つ結果:y の面積は x の面積と h の面積の積です。x が t₁ から t₂ まで、h が t₃ から t₄ まで続くなら、y は t₁ + t₃ から t₂ + t₄ まで続きます。h(t) = e−atu(t) と高さ A のステップ入力では、y(t) = (A/a)(1 − e−at) です。

反転したパルスとの重なり

h(t − τ) は、h のパルスを反転し、τ = t で終わるようにずらしたものです。

τ ∈ [0, 2] → 長さ 2 s

積分

y(2.5) = 2·5·2 = 20

答え

y(2.5) = 20

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、20 を保ち、t = 6 s で 0 に戻ります。

2.たたみ込みと LTI システム

答え: c5 = 0.1297

インパルス応答とフーリエ級数:インパルス応答 h(t) は LTI システムを完全に表します:y′ + a·y = b·x では h(t) = b·e−atu(t)、y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] では h[n] = b·aⁿu[n] です。正弦波 cos ωt は、ゲイン |H(jω)| と位相 ∠H(jω) をもって通過します(H は h のフーリエ変換)。周期信号は k/T の高調波の和です:±A の方形波は奇数次の高調波だけをもち、振幅は 4A/(kπ)、ピーク A の三角波は 8A/(π²k²)、高さ A でデューティ比 D のパルス列は平均値 A·D と高調波 (2A/(kπ))·|sin(kπD)| をもちます。

高調波次数

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5

振幅

c5 = 8·4/(π²·5²) = 0.1297

答え

c5 = 0.1297
3.ラプラス変換

答え: f(0.4) = 1.762

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対: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)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

平方完成する

s² + 6s + 25 = (s + 3)² + 16 = (s + 3)² + 4²

分子を合わせる

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 4²) + (24/4)·4/((s + 3)² + 4²)

逆変換

f(t) = e−3t·(5·cos 4t + 6·sin 4t)
f(0.4) = e−3·0.4·(5·cos(4·0.4) + 6·sin(4·0.4)) = 1.762

答え

f(0.4) = 1.762
4.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 2.052

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対: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)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

方程式を変換する

s²Y − 5s − (−13) + 9(sY − 5) + 20Y = 0
Y(s) = (5s + 32)/((s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 12/1 = 12
B = 7/(−1) = −7

結果

y(t) = 12·e−4t − 7·e−5t
y(0.3) = 2.052

答え

y(0.3) = 2.052

検算:y(0) = A + B = 5。

5.ステップ応答

答え: tp = 0.4791 s

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

標準形と比べる

分母は s² + 2ζωₙs + ωₙ² と一致しなければなりません。

ωₙ² = 44 → ωₙ = 6.633 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6.633) = 0.1508

結果

ωd = 6.633·√(1 − 0.1508²) = 6.557 rad/s → tp = π/ωd = 0.4791 s

答え

tp = 0.4791 s
6.ステップ応答

答え: ts = 1 s

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

閉ループ伝達関数

T(s) = 65/(s² + 8s + 65): ωₙ = 8.062 rad/s, ζ = 0.4961

整定時間

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

答え

ts = 1 s

このループでは K によらず ζωₙ = a/2 です:K を大きくするとオーバーシュートは増えますが、整定時間は短くなりません。

7.ボード線図と余裕

答え: |H| = −12.3 dB

周波数応答:伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ(−3 dB)周波数は ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) です。漸近的な(直線近似の)ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。位相交差周波数 ω180:∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

カットオフ周波数

ωc = R/L = 470/0.0022 = 213636 rad/s
fc = 34001 Hz → f/fc = 8500/34001 = 0.25

利得

|H| = 0.25/√(1 + 0.25²) = 0.2425
20·log₁₀(0.2425) = −12.3 dB

答え

|H| = −12.3 dB
8.ボード線図と余裕

答え: K = 772.3

周波数応答:伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ(−3 dB)周波数は ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) です。漸近的な(直線近似の)ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。位相交差周波数 ω180:∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

位相交差

(ω/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8.485 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

必要なゲイン

1224/K = 104/20 = 1.585
K = 1224/1.585 = 772.3

答え

K = 772.3

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