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)t10h(t)t21

システムのインパルス応答は h(t) = e−0.5tu(t) です。入力はステップ x(t) = 10·u(t) です。t = 8 s での出力 y(8) を求めなさい。

h(t) = e−0.5tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 8 s
y(8) =
2.たたみ込みと LTI システムむずかしい
u[n]4+y[n]0.9·z⁻¹+

システムは y[n] = 0.9·y[n − 1] + 4·x[n] に従い、静止状態から始まります。入力は単位ステップ x[n] = u[n] です。y[2] を求めなさい。

y[n] = 0.9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.ラプラス変換ふつう
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (6s + 15)/(s² + 11s + 30) である。その逆変換は f(t) = A·e−5t + B·e−6t の形になる。部分分数展開により係数 A を求めよ。

F(s) = (6s + 15)/(s² + 11s + 30)
A =
4.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t) に従い、y(0) = 4、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 10 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.3) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.3 s
y(0.3) =
5.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 29/(s² + 6s + 58) 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) = 29/(s² + 6s + 58)
tp = s
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 25 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 25 %
K =
7.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 4.7 kΩC = 22 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 4.7 kΩ, C = 22 nF です。6.2 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 = 4.7 kΩC = 22 nFf = 6.2 kHz
|H| = dB
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) = K/(s(s + 5)(s + 10)) である。 ゲイン余裕が 6 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))GM = 6 dB
K =

3溶液

1.たたみ込みと LTI システム

答え: y(8) = 19.63

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) = 10·∫₀ᵗ e−0.5τ dτ = (10/0.5)·(1 − e−0.5t)

計算する

y(8) = 20·(1 − e−4) = 19.63

答え

y(8) = 19.63
2.たたみ込みと LTI システム

答え: y[2] = 10.84

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。

反復計算

y[0] = 4
y[1] = 7.6
y[2] = 10.84

結果

y[2] = 4·(1 − (0.9)3)/(1 − 0.9) = 10.84

答え

y[2] = 10.84
3.ラプラス変換

答え: A = −15

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 + 11s + 30 = (s + 5)(s + 6)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 6)

隠蔽法

(s + 5) を掛けて s = −5 とおくと、B の項は消えます。

A = (6s + 15)/(s + 6) |s = −5 = −15/1 = −15

答え

A = −15
(B = 21 なので、f(t) = −15·e−5t + 21·e−6t)
4.ラプラス変換

答え: y(0.3) = 10.18

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) = 4s + 36 + 400/s
Y(s) = (4s² + 36s + 400)/(s(s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 400/(4·5) = 20
B = 320/((−4)·1) = −80
C = 320/((−5)·(−1)) = 64

結果

y(t) = 20 − 80·e−4t + 64·e−5t
y(0.3) = 10.18

答え

y(0.3) = 10.18

検算:y(0) = A + B + C = 4。

5.ステップ応答

答え: tp = 0.4488 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 = 58 → ωₙ = 7.616 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7.616) = 0.3939

結果

ωd = 7.616·√(1 − 0.3939²) = 7 rad/s → tp = π/ωd = 0.4488 s

答え

tp = 0.4488 s
6.ステップ応答

答え: K = 220.9

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(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

利得

ωₙ = 12/(2ζ) = 14.86 rad/s
K = ωₙ² = 220.9

答え

K = 220.9
7.ボード線図と余裕

答え: |H| = −12.36 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/(4700·2.2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 6200/1539 = 4.028

利得

|H| = 1/√(1 + 4.028²) = 0.2409
20·log₁₀(0.2409) = −12.36 dB

答え

|H| = −12.36 dB
8.ボード線図と余裕

答え: K = 375.9

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/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7.071 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

必要なゲイン

750/K = 106/20 = 1.995
K = 750/1.995 = 375.9

答え

K = 375.9

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