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
Įėjimas x(t) = 4·e−5tu(t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−1tu(t). Raskite išėjimą y(0,5), kai t = 0,5 s.
x(t) = 4·e−5tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −2 ir +2, jos periodas T = 1 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 5000 Hz, amplitudę c5.
±2T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
F(s) = (6s + 22)/(s² + 11s + 24). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−3t + B·e−8t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.
F(s) = (6s + 22)/(s² + 11s + 24)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
Laplaso transformacija išspręskite y″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = 8 ir y′(0) = −6, ir raskite y(0,1).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 8y′(0) = −6t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 46/(s² + 4s + 23), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.
G(s) = 46/(s² + 4s + 23)
ωn = rad/s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
2 kg masė kabo ant 200 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 24 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 20 N. Raskite laiką tp, kai poslinkis didžiausias.
m = 2 kgk = 200 N/mc = 24 N·s/mF = 20 N
tp = s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 1 Ω, kai L = 2 mH ir C = 10 µF. Raskite kokybės faktorių Q.
R = 1 ΩL = 2 mHC = 10 µF
Q =
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 46/(s(s + 4)(s + 9)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 46/(s(s + 4)(s + 9))
ω180 = rad/s
3Tirpalai
1.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(0.5) = 0,5244
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).
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 = 1000 Hz → k = 5
Amplitudė
c5 = 8·2/(π²·5²) = 0,06485
Atsakymas
c5 = 0,06485
3.Laplaso transformacijos
Atsakymas: A = 0,8
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).
Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais
s² + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)
Uždengimo taisyklė
Padauginkite iš (s + 3) ir įrašykite s = −3: B narys išnyksta.
A = (6s + 22)/(s + 8) |s = −3 = 4/5 = 0,8
Atsakymas
A = 0,8
(B = 5,2, taigi f(t) = 0,8·e−3t + 5,2·e−8t)
4.Laplaso transformacijos
Atsakymas: y(0.1) = 7,329
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 − 8s − (−6) + 5(sY − 8) + 6Y = 0
Y(s) = (8s + 34)/((s + 2)(s + 3))
Paprastosios trupmenos
A = 18/1 = 18
B = 10/(−1) = −10
Rezultatas
y(t) = 18·e−2t − 10·e−3t
y(0,1) = 7,329
Atsakymas
y(0,1) = 7,329
Patikra: y(0) = A + B = 8.
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 4,796 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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,796) = 0,417
Rezultatas
ωₙ = 4,796 rad/s
Atsakymas
ωn = 4,796 rad/s
6.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,3927 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).
Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas
ωₙ = √(k/m) = √(200/2) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 24/(2·√(200·2)) = 0,6
Rezultatas
ωd = 8 rad/s
tp = π/ωd = 0,3927 s
Atsakymas
tp = 0,3927 s
7.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: Q = 14,14
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.
Rezonansinis dažnis
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·1 × 10⁻⁵) = 7071 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1125 Hz
Kokybės faktorius
BW = R/L = 1/0,002 = 500 rad/s = 79,58 Hz
Q = ω₀/BW = 7071/500 = 14,14
Atsakymas
Q = 14,14
8.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: ω180 = 6 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.