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)t25h(t)t1

Impulsas x(t) = 5, kai 0 ≤ t < 2 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−2tu(t). Raskite išėjimą y(3), kai t = 3 s, jau pasibaigus impulsui.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3 s
y(3) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
δ(t)y′ + 1y = 5xh(t)

Sistema tenkina y′(t) + 1·y(t) = 5·x(t). Raskite jos impulsinę charakteristiką, kai t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 1y = 5xt = 0,5 s
h(0.5) =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 3)), ir apskaičiuokite f(0,75).

F(s) = 20/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sistema tenkina y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t), kai y(0) = 3 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 10. Laplaso transformacija raskite y(0,2).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 141/(s² + 9s + 47), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.

G(s) = 141/(s² + 9s + 47)
tp = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
k = 200 N/mc = 38 N·s/mm = 20 kgF = 5 Nx(t)

20 kg masė kabo ant 200 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 38 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 5 N. Raskite didžiausią poslinkį xmax mm.

m = 20 kgk = 200 N/mc = 38 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​R = 4,7 kΩC = 22 nFvout​

Parodytas RC žemųjų dažnių filtras turi R = 4,7 kΩ, C = 22 nF. Taikoma sinusinė įvestis 15 kHz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.

R = 4,7 kΩC = 22 nFf = 15 kHz
φ = °
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) = K/(s(s + 6)(s + 7)). Raskite stiprinimą K, duodantį 2 dB stiprinimo atsargą.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 7))GM = 2 dB
K =

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(3) = 0,3321

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).

Išėjimas impulso pabaigoje

y(2) = (5/2)(1 − e−4) = 2,454

Mažėjimas po impulso

y(3) = 2,454·e−2·1 = 0,3321

Atsakymas

y(3) = 0,3321
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: h(0.5) = 3,033

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)|.

Perdavimo funkcija

H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 1)

Impulsinė reakcija

h(t) = 5·e−1tu(t)
h(0,5) = 5·e−0,5 = 3,033

Atsakymas

h(0,5) = 3,033
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.75) = 1,805

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 + 2) + C/(s + 3)
A = 20/(2·3) = 3,333
B = 20/((−2)·1) = −10
C = 20/((−3)·(−1)) = 6,667

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 3,333 − 10·e−2t + 6,667·e−3t

Apskaičiuokite

f(0,75) = 3,333 − 10·e−2·0,75 + 6,667·e−3·0,75 = 1,805

Atsakymas

f(0,75) = 1,805
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.2) = 4,322

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 + 7s + 6)·Y(s) = 3s + 21 + 120/s
Y(s) = (3s² + 21s + 120)/(s(s + 1)(s + 6))

Paprastosios trupmenos

A = 120/(1·6) = 20
B = 102/((−1)·5) = −20,4
C = 102/((−6)·(−5)) = 3,4

Rezultatas

y(t) = 20 − 20,4·e−t + 3,4·e−6t
y(0,2) = 4,322

Atsakymas

y(0,2) = 4,322

Patikra: y(0) = A + B + C = 3.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: tp = 0,6074 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 = 47 → ωₙ = 6,856 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,856) = 0,6564

Rezultatas

ωd = 6,856·√(1 − 0,6564²) = 5,172 rad/s → tp = π/ωd = 0,6074 s

Atsakymas

tp = 0,6074 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: xmax = 34,29 mm

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) = √(200/20) = 3,162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 38/(2·√(200·20)) = 0,3004

Rezultatas

xst = F/k = 5/200 m = 25 mm
%OS = 37,18 %
xmax = 25·(1 + 0,3718) = 34,29 mm

Atsakymas

xmax = 34,29 mm
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: φ = −84,14 °

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 = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 15000/1539 = 9,745

Fazė

φ = − atan(9,745) = −84,14°

Atsakymas

φ = −84,14°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: K = 433,7

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/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6,481 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 49)) = K/(6·7·(6 + 7)) = K/546

Reikalingas stiprinimas

546/K = 102/20 = 1,259
K = 546/1,259 = 433,7

Atsakymas

K = 433,7

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