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)t210h(t)t44

パルス x(t) = 10(0 ≤ t < 2 s)を、パルス h(t) = 4(0 ≤ t < 4 s)とたたみ込みます。y(t) = x(t) ∗ h(t) の下の面積 Ay を求めなさい。

x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)1020405

方形波が周期 T = 20 ms で 5 と 0 の間を切り替わります(各レベルに周期の半分ずつとどまります)。150 Hz のフーリエ成分の振幅 c3 を求めなさい。

0 … 5T = 20 msf = 150 Hz
c3 =
3.ラプラス変換ふつう
ReIm5

F(s) = (5s + 19)/(s² + 6s + 34) 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 + 19)/(s² + 6s + 34)t = 0.4 s
f(0.4) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t) に従い、y(0) = 1、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 5 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.25) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.25 s
y(0.25) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1?

ある系の伝達関数は G(s) = 67/(s² + 2s + 67) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 67/(s² + 2s + 67)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
+−12 VR = 10 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

R = 10 Ω、L = 10 mH、C = 100 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 12 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 電圧の最初のピークの時刻 tp を ms で求めよ。

R = 10 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 12 V
tp = ms
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 4.7 nFR = 22 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 22 kΩ, C = 4.7 nF です。4.6 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 = 22 kΩC = 4.7 nFf = 4.6 kHz
|H| = dB
8.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 700/(s(s + 20)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 700/(s(s + 20))
PM = °

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: Ay = 320

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。

入力の面積

∫x dt = 10·2 = 20
∫h dt = 4·4 = 16

出力の面積

Ay = 20·16 = 320

答え

Ay = 320
2.たたみ込みと LTI システム

答え: c3 = 1.061

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 = 50 Hz → k = 150/50 = 3

振幅

c3 = 4·2.5/(3π) = 1.061

答え

c3 = 1.061
3.ラプラス変換

答え: f(0.4) = −0.4076

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 + 34 = (s + 3)² + 25 = (s + 3)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (4/5)·5/((s + 3)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−3t·(5·cos 5t + 0.8·sin 5t)
f(0.4) = e−3·0.4·(5·cos(5·0.4) + 0.8·sin(5·0.4)) = −0.4076

答え

f(0.4) = −0.4076
4.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 3.522

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

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 1s + 7 + 150/s
Y(s) = (s² + 7s + 150)/(s(s + 2)(s + 5))

部分分数展開

A = 150/(2·5) = 15
B = 140/((−2)·3) = −23.33
C = 140/((−5)·(−3)) = 9.333

結果

y(t) = 15 − 23.33·e−2t + 9.333·e−5t
y(0.25) = 3.522

答え

y(0.25) = 3.522

検算:y(0) = A + B + C = 1。

5.ステップ応答

答え: %OS = 67.93 %

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 = 67 → ωₙ = 8.185 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8.185) = 0.1222

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.3867 = 67.93 %

答え

%OS = 67.93 %
6.ステップ応答

答え: tp = 3.628 ms

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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (10/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.01) = 0.5

結果

ωd = 866 rad/s
tp = π/ωd = 3.628 ms

答え

tp = 3.628 ms
7.ボード線図と余裕

答え: |H| = −0.4609 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 = 1/(RC) = 1/(22000·4.7 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 4600/1539 = 2.989

利得

|H| = 2.989/√(1 + 2.989²) = 0.9483
20·log₁₀(0.9483) = −0.4609 dB

答え

|H| = −0.4609 dB
8.ボード線図と余裕

答え: PM = 41.04 °

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。

ゲイン交差

ω⁴ + 400ω² − 490000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·490000))/2 = 528
ωc = 22.98 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(22.98/20) = −139°
PM = 180° + ∠L = 41.04°

答え

PM = 41.04°

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