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)t25h(t)t13

信号 x(t) は t = 2 s から t = 5 s の間だけ、h(t) は t = 1 s から t = 3 s の間だけ 0 でない値をとります。y(t) = x(t) ∗ h(t) が始まる時刻 tstart を求めなさい。

x: 2 … 5 sh: 1 … 3 s
tstart = s
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
x(t)t (ms)310203

パルス列の高さは 3、パルス幅は 3 ms、周期は 10 ms です。300 Hz にある高調波次数 3 の振幅 c3 を求めなさい。

A = 3τ = 3 msT = 10 ms
c3 =
3.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 5)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = 15/(s(s + 2)(s + 5))t = 0.2 s
f(0.2) =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ある系が y″ + 5y′ + 4y = 4·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) = 4 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.25) を求めよ。

y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.25 s
y(0.25) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 18/(s² + 4s + 18) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 18/(s² + 4s + 18)
ts = s
6.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 2)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 30 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 30 %
K =
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 10 mHR = 470 Ωvout​

図の RL ローパスフィルタ は R = 470 Ω, L = 10 mH です。22 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 = 470 ΩL = 10 mHf = 22 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 + 10)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 700/(s(s + 10))
PM = °

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: tstart = 3 s

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。

始まりと終わり

tstart = 2 + 1 = 3 s
tend = 5 + 3 = 8 s

答え

tstart = 3 s

答え

tstart = 3 s
2.たたみ込みと LTI システム

答え: c3 = 0.1967

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 = 3/10 = 0.3

高調波の振幅

c3 = (2·3/(3π))·|sin(3π·0.3)| = 0.1967

答え

c3 = 0.1967
3.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 0.1921

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 15/(2·5) = 1.5
B = 15/((−2)·3) = −2.5
C = 15/((−5)·(−3)) = 1

逆変換

f(t) = 1.5 − 2.5·e−2t + e−5t

計算する

f(0.2) = 1.5 − 2.5·e−2·0.2 + e−5·0.2 = 0.1921

答え

f(0.2) = 0.1921
4.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 1.253

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 + 5s + 4)·Y(s) = 1s + 5 + 16/s
Y(s) = (s² + 5s + 16)/(s(s + 1)(s + 4))

部分分数展開

A = 16/(1·4) = 4
B = 12/((−1)·3) = −4
C = 12/((−4)·(−3)) = 1

結果

y(t) = 4 − 4·e−t + e−4t
y(0.25) = 1.253

答え

y(0.25) = 1.253

検算:y(0) = A + B + C = 1。

5.ステップ応答

答え: ts = 2 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 = 18 → ωₙ = 4.243 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4.243) = 0.4714

結果

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

答え

ts = 2 s
6.ステップ応答

答え: K = 7.809

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 + 2s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

利得

ωₙ = 2/(2ζ) = 2.794 rad/s
K = ωₙ² = 7.809

答え

K = 7.809
7.ボード線図と余裕

答え: |H| = −9.845 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 = R/L = 470/0.01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 22000/7480 = 2.941

利得

|H| = 1/√(1 + 2.941²) = 0.3219
20·log₁₀(0.3219) = −9.845 dB

答え

|H| = −9.845 dB
8.ボード線図と余裕

答え: PM = 21.39 °

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 + 100ω² − 490000 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·490000))/2 = 651.8
ωc = 25.53 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(25.53/10) = −158.6°
PM = 180° + ∠L = 21.39°

答え

PM = 21.39°

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