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)t21h(t)t33

パルス x(t) = 1(0 ≤ t < 2 s、それ以外は 0)が、インパルス応答 h(t) = 3(0 ≤ t < 3 s、それ以外は 0)のシステムに加えられます。t = 2 s での出力 y(2) を求めなさい。

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
2cos(10t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

入力 x(t) = 2·cos(10t) が、h(t) = 2·e−5tu(t) のシステムに加えられます。入力に対する定常出力の位相 φ を、度で求めなさい。

h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 2cos(10t)
φ = °
3.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.8f(0.8) = ?

F(s) = (5s + 13)/(s² + 2s + 1) の f(t) を求め、f(0.8) を計算せよ。

F(s) = (5s + 13)/(s² + 2s + 1)t = 0.8 s
f(0.8) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

ある系が y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t) に従い、y(0) = 5、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 4 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.4) を求めよ。

y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.4 s
y(0.4) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)2tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 128/(s² + 4s + 64) 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) = 128/(s² + 4s + 64)
tp = s
6.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

R = 45 Ω、L = 20 mH、C = 10 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 5 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。 コンデンサ電圧のピーク値 vC,max を求めよ。

R = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 5 V
vC,max = V
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 47 nFR = 1 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 1 kΩ, C = 47 nF です。850 Hz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 1 kΩC = 47 nFf = 850 Hz
φ = °
8.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 296/(s(s + 4)(s + 9)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 296/(s(s + 4)(s + 9))
GM = dB

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(2) = 6

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) = 1·3·2 = 6

答え

y(2) = 6

y(t) は台形になります:0 から立ち上がり、6 を保ち、t = 5 s で 0 に戻ります。

2.たたみ込みと LTI システム

答え: φ = −63.43 °

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。

周波数応答

H(jω) = 2/(5 + jω)

入力周波数での位相

φ = −atan(10/5) = −63.43°

答え

φ = −63.43°
3.ラプラス変換

答え: f(0.8) = 5.122

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)。

分母を因数分解する

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

部分分数展開

5s + 13 = 5(s + 1) + 8
F(s) = 5/(s + 1) + 8/(s + 1)²

逆変換

f(t) = 5·e−t + 8·t·e−t
f(0.8) = (5 + 8·0.8)·e−0.8 = 5.122

答え

f(0.8) = 5.122
4.ラプラス変換

答え: y(0.4) = 4.855

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 + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 12/s
Y(s) = (5s² + 20s + 12)/(s(s + 1)(s + 3))

部分分数展開

A = 12/(1·3) = 4
B = −3/((−1)·2) = 1.5
C = −3/((−3)·(−2)) = −0.5

結果

y(t) = 4 + 1.5·e−t − 0.5·e−3t
y(0.4) = 4.855

答え

y(0.4) = 4.855

検算:y(0) = A + B + C = 5。

5.ステップ応答

答え: tp = 0.4056 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 = 64 → ωₙ = 8 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8) = 0.25

結果

ωd = 8·√(1 − 0.25²) = 7.746 rad/s → tp = π/ωd = 0.4056 s

答え

tp = 0.4056 s
6.ステップ応答

答え: vC,max = 5.803 V

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/√(0.02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.02) = 0.5031

結果

%OS = 16.06 %
vC,max = 5·(1 + 0.1606) = 5.803 V

答え

vC,max = 5.803 V
7.ボード線図と余裕

答え: φ = 75.91 °

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/(1000·4.7 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 850/3386 = 0.251

位相

φ = 90° − atan(0.251) = 75.91°

答え

φ = 75.91°
8.ボード線図と余裕

答え: GM = 3.979 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。

位相交差

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(468/296) = 3.979 dB

答え

GM = 3.979 dB

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