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)t23h(t)t33

Impulsas x(t) = 3, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios impulsinė charakteristika h(t) = 3, kai 0 ≤ t < 3 s (kitur nulis). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
δ[n]0,5+h[n]−0,5·z⁻¹+

Sistema tenkina y[n] = −0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[4].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6)), ir apskaičiuokite f(0,75).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 7y′ + 6y = 0, kai y(0) = −9 ir y′(0) = 1, ir raskite y(0,75).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = −9y′(0) = 1t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 158/(s² + 6s + 79), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 158/(s² + 6s + 79)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
R(s)+270s(s + 20)G(s)C(s)−

Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 270/(s(s + 20)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 270/(s(s + 20))
ts = s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​L = 100 mHR = 10 Ωvout​

Parodytas RL žemųjų dažnių filtras turi R = 10 Ω, L = 100 mH. Taikoma sinusinė įvestis 32 Hz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.

R = 10 ΩL = 100 mHf = 32 Hz
φ = °
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) = 50/(s(s + 2)(s + 5)). Raskite stiprinimo atsargą GM dB.

L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(2) = 18

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).

Apversto impulso persidengimas

h(t − τ) yra h impulsas, apverstas ir pastumtas taip, kad baigtųsi ties τ = t.

τ ∈ [0, 2] → ilgis 2 s

Integralas

y(2) = 3·3·2 = 18

Atsakymas

y(2) = 18

y(t) yra trapecija: ji kyla nuo 0, išlieka ties 18 ir krinta iki 0, kai t = 5 s.

2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: h[4] = 0,03125

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] = 0,5
h[1] = −0,25
h[2] = 0,125
h[3] = −0,0625
h[4] = 0,03125

Rezultatas

h[4] = 0,5·(−0,5)4 = 0,03125

Atsakymas

h[4] = 0,03125
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.75) = 1,814

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 + 1) + C/(s + 6)
A = 25/(1·6) = 4,167
B = 25/((−1)·5) = −5
C = 25/((−6)·(−5)) = 0,8333

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 4,167 − 5·e−t + 0,8333·e−6t

Apskaičiuokite

f(0,75) = 4,167 − 5·e−0,75 + 0,8333·e−6·0,75 = 1,814

Atsakymas

f(0,75) = 1,814
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.75) = −4,989

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 − 1 + 7(sY − (−9)) + 6Y = 0
Y(s) = (−9s − 62)/((s + 1)(s + 6))

Paprastosios trupmenos

A = −53/5 = −10,6
B = −8/(−5) = 1,6

Rezultatas

y(t) = −10,6·e−t + 1,6·e−6t
y(0,75) = −4,989

Atsakymas

y(0,75) = −4,989

Patikra: y(0) = A + B = −9.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: σ = −3

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 = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,888) = 0,3375

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Atsakymas

σ = −3
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ts = 0,4 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).

Uždarosios sistemos perdavimo funkcija

T(s) = 270/(s² + 20s + 270): ωₙ = 16,43 rad/s, ζ = 0,6086

Nusistovėjimo laikas

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

Atsakymas

ts = 0,4 s

Šiame kontūre ζωₙ = a/2 nepriklausomai nuo K: didinant K viršijimas auga, bet nusistovėjimo laikas netrumpėja.

7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: φ = −63,56 °

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.

Lūžio dažnis

ωc = R/L = 10/0,1 = 100 rad/s
fc = 15,92 Hz → f/fc = 32/15,92 = 2,011

Fazė

φ = − atan(2,011) = −63,56°

Atsakymas

φ = −63,56°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: GM = 2,923 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/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

Stiprinimo atsarga

GM = 20·log₁₀(70/50) = 2,923 dB

Atsakymas

GM = 2,923 dB

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