Nubraižykite abu signalus ir pažymėkite, kur kiekvienas nelygus nuliui.
Apverskite h ir stumkite: kiekvienam išėjimo laikui raskite sritį, kurioje abu signalai persidengia.
Dauginkite ir sudėkite (diskrečiuoju atveju) arba dauginkite ir integruokite (tolydžiuoju atveju) tik toje persidengimo srityje.
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
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−0,5tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(4), kai t = 4 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 4 s
y(4) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Sistema tenkina y[n] = 0,9·y[n − 1] + 0,5·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Raskite jos impulsinės charakteristikos atskaitą h[4].
y[n] = 0,9y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 2)), ir apskaičiuokite f(0,8).
F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 7y′ + 12y = 0, kai y(0) = −9 ir y′(0) = 7, ir raskite y(0,25).
y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = −9y′(0) = 7t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 140/(s² + 7s + 70), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 140/(s² + 7s + 70)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 60 Ω, L = 10 mH ir C = 1 µF, prijungiama prie 10 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite pirmojo įtampos piko laiką tp ms.
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))
ω180 = rad/s
3Tirpalai
1.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(4) = 1,729
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) = 1·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (1/0,5)·(1 − e−0,5t)
Apskaičiuokite
y(4) = 2·(1 − e−2) = 1,729
Atsakymas
y(4) = 1,729
2.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: h[4] = 0,3281
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] = 0,45
h[2] = 0,405
h[3] = 0,3645
h[4] = 0,3281
Rezultatas
h[4] = 0,5·(0,9)4 = 0,3281
Atsakymas
h[4] = 0,3281
3.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.8) = 2,274
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 + 2)
A = 15/(1·2) = 7,5
B = 15/((−1)·1) = −15
C = 15/((−2)·(−1)) = 7,5
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 7,5 − 15·e−t + 7,5·e−2t
Apskaičiuokite
f(0,8) = 7,5 − 15·e−0,8 + 7,5·e−2·0,8 = 2,274
Atsakymas
f(0,8) = 2,274
4.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.25) = −6,341
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).
Transformuokite lygtį
s²Y − (−9)s − 7 + 7(sY − (−9)) + 12Y = 0
Y(s) = (−9s − 56)/((s + 3)(s + 4))
Paprastosios trupmenos
A = −29/1 = −29
B = −20/(−1) = 20
Rezultatas
y(t) = −29·e−3t + 20·e−4t
y(0,25) = −6,341
Atsakymas
y(0,25) = −6,341
Patikra: y(0) = A + B = −9.
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −3,5
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 = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8,367) = 0,4183
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5
Atsakymas
σ = −3,5
6.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,3293 ms
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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (60/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,01) = 0,3
Rezultatas
ωd = 9539 rad/s
tp = π/ωd = 0,3293 ms
Atsakymas
tp = 0,3293 ms
7.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: |G(jω)| = 8,65 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.