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)t4h(t)t11

Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−1tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 4·u(t). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 2 s
y(2) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)1020403

Stačiakampė banga kinta tarp 3 ir 0, jos periodas T = 20 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 350 Hz, amplitudę c7.

0 … 3T = 20 msf = 350 Hz
c7 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−5−10−15−20

Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (2s + 38)/(s² + 6s + 10), ir apskaičiuokite f(0,5).

F(s) = (2s + 38)/(s² + 6s + 10)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
ReIm−22

Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 10u, kurios įėjimas u(t), o išėjimas y(t). Raskite jos perdavimo funkciją G(s) = Y(s)/U(s) (pradinės sąlygos nulinės) ir apskaičiuokite impulsinę reakciją g(t) ties t = 0,25 s. Raskite g(0,25).

y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 10ut = 0,25 s
g(0.25) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 82/(s² + 6s + 41), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 82/(s² + 6s + 41)
ts = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
k = 200 N/mc = 8 N·s/mm = 4 kgF = 10 Nx(t)

4 kg masė kabo ant 200 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 10 N. Raskite poslinkio procentinį viršijimą %OS.

m = 4 kgk = 200 N/mc = 8 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​L = 20 mHC = 10 µFR = 5 Ωvout​

Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 5 Ω, kai L = 20 mH ir C = 10 µF. Raskite −3 dB juostos plotį BW Hz.

R = 5 ΩL = 20 mHC = 10 µF
BW = Hz
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 2,5/(s(s + 1)). Raskite stiprinimo kirtimo dažnį ωc, kai |L(jω)| = 1.

L(s) = 2,5/(s(s + 1))
ωc = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(2) = 3,459

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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

Apskaičiuokite

y(2) = 4·(1 − e−2) = 3,459

Atsakymas

y(2) = 3,459
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c7 = 0,2728

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 = 50 Hz → k = 350/50 = 7

Amplitudė

c7 = 4·1,5/(7π) = 0,2728

Atsakymas

c7 = 0,2728
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.5) = 3,815

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Suderinkite skaitiklį

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (32/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−3t·(2·cos 1t + 32·sin 1t)
f(0,5) = e−3·0,5·(2·cos(1·0,5) + 32·sin(1·0,5)) = 3,815

Atsakymas

f(0,5) = 3,815
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: g(0.25) = 3,341

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).

Perdavimo funkcija

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 10)/(s² + 2s + 10)

Paprastosios trupmenos

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (6/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Impulsinė reakcija

g(t) = e−t·(4·cos 3t + 2·sin 3t)
g(0,25) = 3,341

Atsakymas

g(0,25) = 3,341
5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ts = 1,333 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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,403) = 0,4685

Rezultatas

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Atsakymas

ts = 1,333 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 63,84 %

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) = √(200/4) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(200·4)) = 0,1414

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 63,84 %

Atsakymas

%OS = 63,84 %
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: BW = 39,79 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 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 355,9 Hz

Juostos plotis

BW = R/L = 5/0,02 = 250 rad/s = 39,79 Hz

Atsakymas

BW = 39,79 Hz
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ωc = 1,432 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.

Stiprinimo kirtimas

ω⁴ + 1ω² − 6,25 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·6,25))/2 = 2,05
ωc = 1,432 rad/s

Atsakymas

ωc = 1,432 rad/s

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