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)t5h(t)t0,251

Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−4tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 5·u(t). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 1 s
y(1) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)1020401−1

Stačiakampė banga kinta tarp +1 ir −1, jos periodas T = 20 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 350 Hz, amplitudę c7.

±1T = 20 msf = 350 Hz
c7 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 6)), ir apskaičiuokite f(0,3).

F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Sistema tenkina y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t), kai y(0) = 3 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 10. Laplaso transformacija raskite y(0,4).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)1

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 81/(s² + 14s + 81), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 81/(s² + 14s + 81)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
k = 1000 N/mc = 170 N·s/mm = 20 kgF = 100 Nx(t)

20 kg masė kabo ant 1000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 170 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 100 N. Raskite didžiausią poslinkį xmax mm.

m = 20 kgk = 1000 N/mc = 170 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

Raskite G(s) = 128/((s + 4)(s + 8)) tikslų modulį |G(jω)|, kai ω = 15 rad/s, dB.

G(s) = 128/((s + 4)(s + 8))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 84/(s(s + 4)(s + 9)). Raskite stiprinimo atsargą GM dB.

L(s) = 84/(s(s + 4)(s + 9))
GM = dB

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(1) = 1,227

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) = 5·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (5/4)·(1 − e−4t)

Apskaičiuokite

y(1) = 1,25·(1 − e−4) = 1,227

Atsakymas

y(1) = 1,227
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c7 = 0,1819

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/(7π) = 0,1819

Atsakymas

c7 = 0,1819
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.3) = 0,3913

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 + 3) + C/(s + 6)
A = 20/(3·6) = 1,111
B = 20/((−3)·3) = −2,222
C = 20/((−6)·(−3)) = 1,111

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 1,111 − 2,222·e−3t + 1,111·e−6t

Apskaičiuokite

f(0,3) = 1,111 − 2,222·e−3·0,3 + 1,111·e−6·0,3 = 0,3913

Atsakymas

f(0,3) = 0,3913
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.4) = 12,22

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 + 10)·Y(s) = 3s + 21 + 300/s
Y(s) = (3s² + 21s + 300)/(s(s + 2)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 300/(2·5) = 30
B = 270/((−2)·3) = −45
C = 270/((−5)·(−3)) = 18

Rezultatas

y(t) = 30 − 45·e−2t + 18·e−5t
y(0,4) = 12,22

Atsakymas

y(0,4) = 12,22

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

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: σ = −7

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 = 81 → ωₙ = 9 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9) = 0,7778

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −14/2 = −7

Atsakymas

σ = −7
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: xmax = 109,4 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) = √(1000/20) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 170/(2·√(1000·20)) = 0,601

Rezultatas

xst = F/k = 100/1000 m = 100 mm
%OS = 9,418 %
xmax = 100·(1 + 0,09418) = 109,4 mm

Atsakymas

xmax = 109,4 mm
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: |G(jω)| = −6,285 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.

Sudauginkite modulius

|G(j15)| = 128/(√(15² + 4²)·√(15² + 8²)) = 128/(15,52·17) = 0,485

Rezultatas

20·log₁₀(0,485) = −6,285 dB

Atsakymas

|G(jω)| = −6,285 dB
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: GM = 14,92 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/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

Stiprinimo atsarga

GM = 20·log₁₀(468/84) = 14,92 dB

Atsakymas

GM = 14,92 dB

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