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)t0.21

システムのインパルス応答は h(t) = e−5tu(t) です。入力はステップ x(t) = 1·u(t) です。t = 1.2 s での出力 y(1.2) を求めなさい。

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 1.2 s
y(1.2) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)2102010

パルス列の高さは 10、パルス幅は 2 ms、周期は 10 ms です。100 Hz にある高調波次数 1 の振幅 c1 を求めなさい。

A = 10τ = 2 msT = 10 ms
c1 =
3.ラプラス変換ふつう
ReIm5

F(s) = (4s + 2)/(s² + 2s + 26) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (4s + 2)/(s² + 2s + 26)t = 0.2 s
f(0.2) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 20y = 40·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(0.1) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.1 s
y(0.1) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5?

ある系の伝達関数は G(s) = 38.5/(s² + 12s + 77) 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) = 38.5/(s² + 12s + 77)
%OS = %
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+270s(s + 16)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 270/(s(s + 16)) 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) = 270/(s(s + 16))
ts = s
7.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

ω = 5 rad/s における G(s) = 50(s + 6)/(s(s + 4)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 50(s + 6)/(s(s + 4))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
8.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.010.010.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 2/(s(s + 2)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 2/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1.2) = 0.1995

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。

ステップとのたたみ込み

y(t) = 1·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (1/5)·(1 − e−5t)

計算する

y(1.2) = 0.2·(1 − e−6) = 0.1995

答え

y(1.2) = 0.1995
2.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 3.742

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。

デューティ比

D = 2/10 = 0.2

高調波の振幅

c1 = (2·10/(1π))·|sin(1π·0.2)| = 3.742

答え

c1 = 3.742
3.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 1.494

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 + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (−2/5)·5/((s + 1)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−t·(4·cos 5t − 0.4·sin 5t)
f(0.2) = e−0.2·(4·cos(5·0.2) − 0.4·sin(5·0.2)) = 1.494

答え

f(0.2) = 1.494
4.ラプラス変換

答え: y(0.1) = 5.224

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 + 9s + 20)·Y(s) = 5s + 45 + 160/s
Y(s) = (5s² + 45s + 160)/(s(s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 160/(4·5) = 8
B = 60/((−4)·1) = −15
C = 60/((−5)·(−1)) = 12

結果

y(t) = 8 − 15·e−4t + 12·e−5t
y(0.1) = 5.224

答え

y(0.1) = 5.224

検算:y(0) = A + B + C = 5。

5.ステップ応答

答え: %OS = 5.266 %

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 = 77 → ωₙ = 8.775 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8.775) = 0.6838

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.944 = 5.266 %

答え

%OS = 5.266 %
6.ステップ応答

答え: ts = 0.5 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) = 270/(s² + 16s + 270): ωₙ = 16.43 rad/s, ζ = 0.4869

整定時間

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.5 s

答え

ts = 0.5 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: ∠G(jω) = −101.5 °

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。

角を足す

∠G = atan(5/6) − 90° − atan(5/4) = 39.81° − 90° − 51.34°

結果

∠G(j5) = −101.5°

答え

∠G(jω) = −101.5°
8.ボード線図と余裕

答え: ωc = 0.9102 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 + 4ω² − 4 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·4))/2 = 0.8284
ωc = 0.9102 rad/s

答え

ωc = 0.9102 rad/s

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