Signalai ir sistemos: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Sąsūka ir LTI sistemos

Diskrečioji sąsūka
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tolydžioji sąsūka
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Ilgis ir suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Pradžia, pabaiga ir plotas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Šuolis į e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Pirmosios eilės sistema
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Pirmosios eilės rekursija
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoidė per h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Furjė eilutės amplitudės
stačiakampė ±A: 4A/(kπ), nelyginis k; trikampė ±A: 8A/(π²k²), nelyginis k; impulsų seka: A·D ir (2A/(kπ))|sin kπD|

Metodas

  1. Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
  2. Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
  3. Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
  4. 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
x(t)t14h(t)t15

Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = 1 s ir t = 4 s, o h(t) – tik tarp t = 1 s ir t = 5 s. Raskite laiką tend, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) baigiasi.

x: 1 … 4 sh: 1 … 5 s
tend = s
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Sistema tenkina y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 2 s, h(2).

y′ + 4y = 3xt = 2 s
h(2) =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = (5s + 7)/(s² + 5s + 6). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−2t + B·e−3t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (5s + 7)/(s² + 5s + 6)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Sistema tenkina y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), kai y(0) = 1 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 10. Laplaso transformacija raskite y(0,75).

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 84/(s² + 7s + 42), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.

G(s) = 84/(s² + 7s + 42)
ωn = rad/s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s50 %

Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 50 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,2 s. Raskite savąjį dažnį ωn.

%OS = 50 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 8

Raskite G(s) = 39(s + 18)/(s(s + 4)) fazę ∠G(jω), kai ω = 8 rad/s, laipsniais.

G(s) = 39(s + 18)/(s(s + 4))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 28/(s(s + 1)(s + 7)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 28/(s(s + 1)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: tend = 9 s

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).

Pradžia ir pabaiga

tstart = 1 + 1 = 2 s
tend = 4 + 5 = 9 s

Atsakymas

tend = 9 s

Atsakymas

tend = 9 s
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: h(2) = 0,001006

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)|.

Perdavimo funkcija

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 4)

Impulsinė reakcija

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(2) = 3·e−8 = 0,001006

Atsakymas

h(2) = 0,001006
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = −3

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).

Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais

s² + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 3)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 2) ir įrašykite s = −2: B narys išnyksta.

A = (5s + 7)/(s + 3) |s = −2 = −3/1 = −3

Atsakymas

A = −3
(B = 8, taigi f(t) = −3·e−2t + 8·e−3t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.75) = 4,739

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

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 1s + 6 + 50/s
Y(s) = (s² + 6s + 50)/(s(s + 1)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 50/(1·5) = 10
B = 45/((−1)·4) = −11,25
C = 45/((−5)·(−4)) = 2,25

Rezultatas

y(t) = 10 − 11,25·e−t + 2,25·e−5t
y(0,75) = 4,739

Atsakymas

y(0,75) = 4,739

Patikra: y(0) = A + B + C = 1.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 6,481 rad/s

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 = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6,481) = 0,5401

Rezultatas

ωₙ = 6,481 rad/s

Atsakymas

ωn = 6,481 rad/s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 16,09 rad/s

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).

Slopinimo koeficientas

ζ = −ln(0,5)/√(π² + ln²(0,5)) = 0,6931/√(9,87 + 0,4805) = 0,2155

Savasis dažnis

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,9765 = 16,09 rad/s

Atsakymas

ωn = 16,09 rad/s
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ∠G(jω) = −129,5 °

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.

Sudėkite kampus

∠G = atan(8/18) − 90° − atan(8/4) = 23,96° − 90° − 63,43°

Rezultatas

∠G(j8) = −129,5°

Atsakymas

∠G(jω) = −129,5°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ω180 = 2,646 rad/s

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.

Fazės kirtimas

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Atsakymas

ω180 = 2,646 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems