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)t14h(t)t1

Impulsas x(t) = 4, kai 0 ≤ t < 1 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−0,5tu(t). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s, jau pasibaigus impulsui.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
u[n]4+y[n]−0,8·z⁻¹+

Sistema tenkina y[n] = −0,8·y[n − 1] + 4·x[n] ir pradeda iš ramybės būsenos. Įėjimas yra vienetinis šuolis x[n] = u[n]. Raskite y[4].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (4s + 33)/(s² + 6s + 8). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (4s + 33)/(s² + 6s + 8)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 3y′ + 2y = 0, kai y(0) = 5 ir y′(0) = −8, ir raskite y(0,8).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 5y′(0) = −8t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)1

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 16/(s² + 3s + 16), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 16/(s² + 3s + 16)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
+−24 VR = 26 ΩL = 50 mHC = 47 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 26 Ω, L = 50 mH ir C = 47 µF, prijungiama prie 24 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite didžiausią kondensatoriaus įtampą vC,max.

R = 26 ΩL = 50 mHC = 47 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−20020406080100ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 0,5

Raskite G(s) = 35(s + 9)/(s(s + 3)) fazę ∠G(jω), kai ω = 0,5 rad/s, laipsniais.

G(s) = 35(s + 9)/(s(s + 3))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
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) = K/(s(s + 5)(s + 6)). Raskite stiprinimą K, duodantį 2 dB stiprinimo atsargą.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))GM = 2 dB
K =

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(2) = 1,909

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(1) = (4/0,5)(1 − e−0,5) = 3,148

Mažėjimas po impulso

y(2) = 3,148·e−0,5·1 = 1,909

Atsakymas

y(2) = 1,909
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y[4] = 2,95

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

y[0] = 4
y[1] = 0,8
y[2] = 3,36
y[3] = 1,312
y[4] = 2,95

Rezultatas

y[4] = 4·(1 − (−0,8)5)/(1 − (−0,8)) = 2,95

Atsakymas

y[4] = 2,95
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = 12,5

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 2) ir įrašykite s = −2: B narys išnyksta.

A = (4s + 33)/(s + 4) |s = −2 = 25/2 = 12,5

Atsakymas

A = 12,5
(B = −8,5, taigi f(t) = 12,5·e−2t − 8,5·e−4t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.8) = 1,504

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 − 5s − (−8) + 3(sY − 5) + 2Y = 0
Y(s) = (5s + 7)/((s + 1)(s + 2))

Paprastosios trupmenos

A = 2/1 = 2
B = −3/(−1) = 3

Rezultatas

y(t) = 2·e−t + 3·e−2t
y(0,8) = 1,504

Atsakymas

y(0,8) = 1,504

Patikra: y(0) = A + B = 5.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: σ = −1,5

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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4) = 0,375

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Atsakymas

σ = −1,5
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: vC,max = 30,13 V

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/√(0,05·4,7 × 10⁻⁵) = 652,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (26/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,05) = 0,3986

Rezultatas

%OS = 25,53 %
vC,max = 24·(1 + 0,2553) = 30,13 V

Atsakymas

vC,max = 30,13 V
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ∠G(jω) = −96,28 °

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.

Sudėkite kampus

∠G = atan(0,5/9) − 90° − atan(0,5/3) = 3,18° − 90° − 9,462°

Rezultatas

∠G(j0,5) = −96,28°

Atsakymas

∠G(jω) = −96,28°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: K = 262,1

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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 36)) = K/(5·6·(5 + 6)) = K/330

Reikalingas stiprinimas

330/K = 102/20 = 1,259
K = 330/1,259 = 262,1

Atsakymas

K = 262,1

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