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)t2h(t)t0,51

Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−2tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 2·u(t). Raskite išėjimą y(0,1), kai t = 0,1 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0,1 s
y(0.1) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)510203

Stačiakampė banga kinta tarp 3 ir 0, jos periodas T = 10 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 500 Hz, amplitudę c5.

0 … 3T = 10 msf = 500 Hz
c5 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−2−424

Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (5s + 26)/(s² + 2s + 17), ir apskaičiuokite f(0,4).

F(s) = (5s + 26)/(s² + 2s + 17)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sistema tenkina y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t), kai y(0) = 5 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 4. Laplaso transformacija raskite y(0,3).

y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)1?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 78/(s² + 13s + 78), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.

G(s) = 78/(s² + 13s + 78)
%OS = %
6.Šuolinė reakcijaSunkus
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s12 %

Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 12 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,25 s. Raskite savąjį dažnį ωn.

%OS = 12 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​L = 2 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 50 Ω, kai L = 2 mH ir C = 0,22 µF. Raskite kokybės faktorių Q.

R = 50 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
Q =
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 636/(s(s + 7)(s + 9)). Raskite stiprinimo atsargą GM dB.

L(s) = 636/(s(s + 7)(s + 9))
GM = dB

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(0.1) = 0,1813

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−2τ dτ = (2/2)·(1 − e−2t)

Apskaičiuokite

y(0,1) = 1·(1 − e−0,2) = 0,1813

Atsakymas

y(0,1) = 0,1813
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c5 = 0,382

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)|.

Harmonikos numeris

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 500/100 = 5

Amplitudė

c5 = 4·1,5/(5π) = 0,382

Atsakymas

c5 = 0,382
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.4) = 3,42

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).

Išskirkite pilnąjį kvadratą

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

Suderinkite skaitiklį

F(s) = 5·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (21/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−t·(5·cos 4t + 5,25·sin 4t)
f(0,4) = e−0,4·(5·cos(4·0,4) + 5,25·sin(4·0,4)) = 3,42

Atsakymas

f(0,4) = 3,42
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.3) = 5,908

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) = 5s + 30 + 60/s
Y(s) = (5s² + 30s + 60)/(s(s + 1)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 60/(1·5) = 12
B = 35/((−1)·4) = −8,75
C = 35/((−5)·(−4)) = 1,75

Rezultatas

y(t) = 12 − 8,75·e−t + 1,75·e−5t
y(0,3) = 5,908

Atsakymas

y(0,3) = 5,908

Patikra: y(0) = A + B + C = 5.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 3,287 %

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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,832) = 0,736

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,415 = 3,287 %

Atsakymas

%OS = 3,287 %
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 15,16 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(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Savasis dažnis

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,8289 = 15,16 rad/s

Atsakymas

ωn = 15,16 rad/s
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: Q = 1,907

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.

Rezonansinis dažnis

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·2,2 × 10⁻⁷) = 47673 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7587 Hz

Kokybės faktorius

BW = R/L = 50/0,002 = 25000 rad/s = 3979 Hz
Q = ω₀/BW = 47673/25000 = 1,907

Atsakymas

Q = 1,907
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: GM = 4 dB

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/7)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7,937 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

Stiprinimo atsarga

GM = 20·log₁₀(1008/636) = 4 dB

Atsakymas

GM = 4 dB

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