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)t01h(t)t13

Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = 0 s ir t = 1 s, o h(t) – tik tarp t = 1 s ir t = 3 s. Raskite y(t) = x(t) ∗ h(t) trukmę D.

x: 0 … 1 sh: 1 … 3 s
D = s
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)2,55103−3

Stačiakampė banga kinta tarp +3 ir −3, jos periodas T = 5 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 600 Hz, amplitudę c3.

±3T = 5 msf = 600 Hz
c3 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−2−42

Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = 15/(s² + 8s + 25), ir apskaičiuokite f(0,25).

F(s) = 15/(s² + 8s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 8y′ + 15y = 0, kai y(0) = −5 ir y′(0) = 10, ir raskite y(0,1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = −5y′(0) = 10t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 114/(s² + 2s + 57), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 114/(s² + 2s + 57)
ts = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s2 %

Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 2 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,1 s. Raskite savąjį dažnį ωn.

%OS = 2 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

Raskite G(s) = 1632/((s + 6)(s + 16)) tikslų modulį |G(jω)|, kai ω = 10 rad/s, dB.

G(s) = 1632/((s + 6)(s + 16))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 156/(s(s + 4)). Raskite fazės atsargą PM laipsniais.

L(s) = 156/(s(s + 4))
PM = °

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: D = 3 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 = 0 + 1 = 1 s
tend = 1 + 3 = 4 s

Atsakymas

D = 3 s

Atsakymas

D = 3 s
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c3 = 1,273

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 = 200 Hz → k = 600/200 = 3

Amplitudė

c3 = 4·3/(3π) = 1,273

Atsakymas

c3 = 1,273
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.25) = 1,254

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 + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Suderinkite skaitiklį

F(s) = (15/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−4t·(5·sin 3t)
f(0,25) = e−4·0,25·(5·sin(3·0,25)) = 1,254

Atsakymas

f(0,25) = 1,254
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.1) = −4,04

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 − (−5)s − 10 + 8(sY − (−5)) + 15Y = 0
Y(s) = (−5s − 30)/((s + 3)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = −15/2 = −7,5
B = −5/(−2) = 2,5

Rezultatas

y(t) = −7,5·e−3t + 2,5·e−5t
y(0,1) = −4,04

Atsakymas

y(0,1) = −4,04

Patikra: y(0) = A + B = −5.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ts = 4 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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,55) = 0,1325

Rezultatas

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Atsakymas

ts = 4 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 50,17 rad/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).

Slopinimo koeficientas

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Savasis dažnis

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,6261 = 50,17 rad/s

Atsakymas

ωn = 50,17 rad/s
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: |G(jω)| = 17,4 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(j10)| = 1632/(√(10² + 6²)·√(10² + 16²)) = 1632/(11,66·18,87) = 7,417

Rezultatas

20·log₁₀(7,417) = 17,4 dB

Atsakymas

|G(jω)| = 17,4 dB
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: PM = 18,19 °

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 + 16ω² − 24336 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·24336))/2 = 148,2
ωc = 12,17 rad/s

Fazės atsarga

∠L(jωc) = −90° − atan(12,17/4) = −161,8°
PM = 180° + ∠L = 18,19°

Atsakymas

PM = 18,19°

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