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)t−21h(t)t01

Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = −2 s ir t = 1 s, o h(t) – tik tarp t = 0 s ir t = 1 s. Raskite y(t) = x(t) ∗ h(t) trukmę D.

x: −2 … 1 sh: 0 … 1 s
D = s
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
10cos(7,5t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

Įėjimas x(t) = 10·cos(7,5t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 2·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.

h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 10cos(7,5t)
φ = °
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = 15/(s² + 9s + 18). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = 15/(s² + 9s + 18)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Sistema tenkina y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t), kai y(0) = 2 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 1. Laplaso transformacija raskite y(0,25).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 52/(s² + 8s + 52), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.

G(s) = 52/(s² + 8s + 52)
tp = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 20)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 15 % viršijimą.

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 15 %
K =
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​L = 20 mHC = 0,1 µFR = 50 Ωvout​

Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 50 Ω, kai L = 20 mH ir C = 0,1 µF. Raskite −3 dB juostos plotį BW Hz.

R = 50 ΩL = 20 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
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) = 372/(s(s + 4)(s + 9)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 372/(s(s + 4)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: D = 4 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 = −2 + 0 = −2 s
tend = 1 + 1 = 2 s

Atsakymas

D = 4 s

Atsakymas

D = 4 s
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: φ = −36,87 °

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)|.

Dažninė charakteristika

H(jω) = 2/(10 + jω)

Fazė įėjimo dažniu

φ = −atan(7,5/10) = −36,87°

Atsakymas

φ = −36,87°
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = 5

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 + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.

A = 15/(s + 6) |s = −3 = 15/3 = 5

Atsakymas

A = 5
(B = −5, taigi f(t) = 5·e−3t − 5·e−6t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.25) = 1,693

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 + 9s + 20)·Y(s) = 2s + 18 + 20/s
Y(s) = (2s² + 18s + 20)/(s(s + 4)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 20/(4·5) = 1
B = −20/((−4)·1) = 5
C = −20/((−5)·(−1)) = −4

Rezultatas

y(t) = 1 + 5·e−4t − 4·e−5t
y(0,25) = 1,693

Atsakymas

y(0,25) = 1,693

Patikra: y(0) = A + B + C = 2.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: tp = 0,5236 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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,211) = 0,5547

Rezultatas

ωd = 7,211·√(1 − 0,5547²) = 6 rad/s → tp = π/ωd = 0,5236 s

Atsakymas

tp = 0,5236 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: K = 374,2

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) = K/(s² + 20s + K)

Slopinimo koeficientas iš viršijimo

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Stiprinimas

ωₙ = 20/(2ζ) = 19,34 rad/s
K = ωₙ² = 374,2

Atsakymas

K = 374,2
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: BW = 397,9 Hz

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/√(0,02·1 × 10⁻⁷) = 22361 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3559 Hz

Juostos plotis

BW = R/L = 50/0,02 = 2500 rad/s = 397,9 Hz

Atsakymas

BW = 397,9 Hz
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ω180 = 6 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/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

Atsakymas

ω180 = 6 rad/s

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