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)t2h(t)t1

入力 x(t) = 2·e−3tu(t) が、h(t) = e−0.5tu(t) のシステムに加えられます。t = 1.5 s での出力 y(1.5) を求めなさい。

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−0.5tu(t)t = 1.5 s
y(1.5) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)0.8241

パルス列の高さは 1、パルス幅は 0.8 ms、周期は 2 ms です。500 Hz にある高調波次数 1 の振幅 c1 を求めなさい。

A = 1τ = 0.8 msT = 2 ms
c1 =
3.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.75) を計算せよ。

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2))t = 0.75 s
f(0.75) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

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(0.2) を求めよ。

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.2 s
y(0.2) =
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) = 4/(s² + 2s + 4) で、単位ステップ入力を受ける。 減衰比 ζ を求めよ。

G(s) = 4/(s² + 2s + 4)
ζ =
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 12)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 5 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 5 %
K =
7.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.1111010100100−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

ω = 8 rad/s における G(s) = 3(s + 2)/(s(s + 10)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 3(s + 2)/(s(s + 10))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 14/(s(s + 4)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 14/(s(s + 4))
PM = °

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(1.5) = 0.369

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) = 2e−0.5t∫₀ᵗ e−(3 − 0.5)τ dτ = 2(e−0.5t − e−3t)/(2.5)

計算する

y(1.5) = 2·(0.4724 − 0.01111)/(2.5) = 0.369

答え

y(1.5) = 0.369
2.たたみ込みと LTI システム

答え: c1 = 0.6055

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 = 0.8/2 = 0.4

高調波の振幅

c1 = (2·1/(1π))·|sin(1π·0.4)| = 0.6055

答え

c1 = 0.6055
3.ラプラス変換

答え: f(0.75) = 6.264

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)。

部分分数展開

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 45/(1·2) = 22.5
B = 45/((−1)·1) = −45
C = 45/((−2)·(−1)) = 22.5

逆変換

f(t) = 22.5 − 45·e−t + 22.5·e−2t

計算する

f(0.75) = 22.5 − 45·e−0.75 + 22.5·e−2·0.75 = 6.264

答え

f(0.75) = 6.264
4.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 2.793

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(0.2) = 2.793

答え

y(0.2) = 2.793

検算:y(0) = A + B + C = 1。

5.ステップ応答

答え: ζ = 0.5

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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2) = 0.5

結果

ζ = 0.5

答え

ζ = 0.5
6.ステップ応答

答え: K = 75.59

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) = K/(s² + 12s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901

利得

ωₙ = 12/(2ζ) = 8.694 rad/s
K = ωₙ² = 75.59

答え

K = 75.59
7.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −52.7 °

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(8/2) − 90° − atan(8/10) = 75.96° − 90° − 38.66°

結果

∠G(j8) = −52.7°

答え

∠G(jω) = −52.7°
8.ボード線図と余裕

答え: PM = 54.53 °

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 + 16ω² − 196 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·196))/2 = 8.125
ωc = 2.85 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(2.85/4) = −125.5°
PM = 180° + ∠L = 54.53°

答え

PM = 54.53°

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