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)t1h(t)t1

入力 x(t) = 1·e−4tu(t) が、h(t) = e−2tu(t) のシステムに加えられます。t = 1 s での出力 y(1) を求めなさい。

x(t) = 1·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)24810

方形波が周期 T = 4 ms で 10 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)。1750 Hz のフーリエ成分の振幅 c7 を求めなさい。

0 … 10T = 4 msf = 1750 Hz
c7 =
3.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = 20/(s² + 9s + 20) である。その逆変換は f(t) = A·e−4t + B·e−5t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = 20/(s² + 9s + 20)
A =
4.ラプラス変換むずかしい
ReIm2

ある系が微分方程式 y″ + 2y′ + 10y = 14u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.8 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.8) を求めよ。

y″ + 2y′ + 10y = 14ut = 0.8 s
g(0.8) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3?

ある系の伝達関数は G(s) = 237/(s² + 8s + 79) 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) = 237/(s² + 8s + 79)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 28 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

R = 28 Ω、L = 200 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 = 28 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 5 V
vC,max = V
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 47 kΩC = 47 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 47 kΩ, C = 47 nF です。36 Hz 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 = 47 kΩC = 47 nFf = 36 Hz
|H| = dB
8.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 80/(s(s + 8)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 80/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1) = 0.05851

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。

たたみ込み積分

y(t) = 1e−2t∫₀ᵗ e−(4 − 2)τ dτ = 1(e−2t − e−4t)/(2)

計算する

y(1) = 1·(0.1353 − 0.01832)/(2) = 0.05851

答え

y(1) = 0.05851
2.たたみ込みと LTI システム

答え: c7 = 0.9095

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 = 250 Hz → k = 1750/250 = 7

振幅

c7 = 4·5/(7π) = 0.9095

答え

c7 = 0.9095
3.ラプラス変換

答え: A = 20

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

隠蔽法

(s + 4) を掛けて s = −4 とおくと、B の項は消えます。

A = 20/(s + 5) |s = −4 = 20/1 = 20

答え

A = 20
(B = −20 なので、f(t) = 20·e−4t − 20·e−5t)
4.ラプラス変換

答え: g(0.8) = 1.416

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)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = 14/(s² + 2s + 10)

部分分数展開

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = (14/3)·3/((s + 1)² + 3²)

インパルス応答

g(t) = e−t·(4.667·sin 3t)
g(0.8) = 1.416

答え

g(0.8) = 1.416
5.ステップ応答

答え: %OS = 20.53 %

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 = 79 → ωₙ = 8.888 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8.888) = 0.45

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.583 = 20.53 %

答え

%OS = 20.53 %
6.ステップ応答

答え: vC,max = 8.658 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/√(0.2·1 × 10⁻⁵) = 707.1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (28/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.2) = 0.09899

結果

%OS = 73.16 %
vC,max = 5·(1 + 0.7316) = 8.658 V

答え

vC,max = 8.658 V
7.ボード線図と余裕

答え: |H| = −0.9679 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/(47000·4.7 × 10⁻⁸) = 452.7 rad/s
fc = 72.05 Hz → f/fc = 36/72.05 = 0.4997

利得

|H| = 1/√(1 + 0.4997²) = 0.8945
20·log₁₀(0.8945) = −0.9679 dB

答え

|H| = −0.9679 dB
8.ボード線図と余裕

答え: ωc = 7.36 rad/s

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 + 64ω² − 6400 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·6400))/2 = 54.16
ωc = 7.36 rad/s

答え

ωc = 7.36 rad/s

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