Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
Patikrinkite rezultatą: išėjimas prasideda pradžios laikų suma, baigiasi pabaigos laikų suma, o jo plotas ar suma lygi įėjimų plotų ar sumų sandaugai.
2Uždaviniai
1.Sąsūka ir LTI sistemosVidutinis
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−0,5tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 2·u(t). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 2 s
y(2) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,9·y[n − 1] + 3·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[2].
y[n] = 0,9y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5)), ir apskaičiuokite f(0,25).
F(s) = 20/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 8y′ + 12y = 0, kai y(0) = −9 ir y′(0) = 15, ir raskite y(0,5).
y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −9y′(0) = 15t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 123/(s² + 10s + 41), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 123/(s² + 10s + 41)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
5 kg masė kabo ant 1000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 85 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 25 N. Raskite didžiausią poslinkį xmax mm.
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 150/(s(s + 7)(s + 8)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 150/(s(s + 7)(s + 8))
ω180 = rad/s
3Tirpalai
1.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(2) = 2,528
Tolydžioji sąsūka: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Apverskite h, pastumkite į padėtį t ir suintegruokite persidengiančių dalių sandaugą. Priežastiniams signalams integralas skaičiuojamas nuo 0 iki t. Naudingi rezultatai: y plotas lygus x ploto ir h ploto sandaugai; jei x trunka nuo t₁ iki t₂, o h nuo t₃ iki t₄, tai y trunka nuo t₁ + t₃ iki t₂ + t₄. Kai h(t) = e−atu(t), o šuolio aukštis A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Sąsūka su šuoliu
y(t) = 2·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (2/0,5)·(1 − e−0,5t)
Apskaičiuokite
y(2) = 4·(1 − e−1) = 2,528
Atsakymas
y(2) = 2,528
2.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h[2] = 2,43
Impulsinė charakteristika ir Furjė eilutė: impulsinė charakteristika h(t) visiškai aprašo LTI sistemą: lygčiai y′ + a·y = b·x ji yra h(t) = b·e−atu(t), o lygčiai y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ji yra h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoidė cos ωt praeina su stiprinimu |H(jω)| ir faze ∠H(jω), kur H yra h Furjė transformacija. Periodinis signalas yra harmonikų, kurių dažnis k/T, suma: ±A stačiakampė banga turi tik nelygines harmonikas, kurių amplitudės 4A/(kπ), A pikinės vertės trikampė banga turi 8A/(π²k²), o A aukščio ir pildymo koeficiento D impulsų seka turi vidurkį A·D ir harmonikas (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.
Iteracijos
h[0] = 3
h[1] = 2,7
h[2] = 2,43
Rezultatas
h[2] = 3·(0,9)2 = 2,43
Atsakymas
h[2] = 2,43
3.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.25) = 0,3066
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Paprastosios trupmenos
F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 5)
A = 20/(4·5) = 1
B = 20/((−4)·1) = −5
C = 20/((−5)·(−1)) = 4
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 1 − 5·e−4t + 4·e−5t
Apskaičiuokite
f(0,25) = 1 − 5·e−4·0,25 + 4·e−5·0,25 = 0,3066
Atsakymas
f(0,25) = 0,3066
4.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.5) = −3,549
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformuokite lygtį
s²Y − (−9)s − 15 + 8(sY − (−9)) + 12Y = 0
Y(s) = (−9s − 57)/((s + 2)(s + 6))
Paprastosios trupmenos
A = −39/4 = −9,75
B = −3/(−4) = 0,75
Rezultatas
y(t) = −9,75·e−2t + 0,75·e−6t
y(0,5) = −3,549
Atsakymas
y(0,5) = −3,549
Patikra: y(0) = A + B = −9.
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −5
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,403) = 0,7809
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −10/2 = −5
Atsakymas
σ = −5
6.Šuolinė reakcija
Atsakymas: xmax = 27,35 mm
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).
Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas
ωₙ = √(k/m) = √(1000/5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 85/(2·√(1000·5)) = 0,601
Rezultatas
xst = F/k = 25/1000 m = 25 mm
%OS = 9,418 %
xmax = 25·(1 + 0,09418) = 27,35 mm
Atsakymas
xmax = 27,35 mm
7.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: ∠G(jω) = −99,61 °
Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.