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)t37

Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = 0 s ir t = 1 s, o h(t) – tik tarp t = 3 s ir t = 7 s. Raskite y(t) = x(t) ∗ h(t) trukmę D.

x: 0 … 1 sh: 3 … 7 s
D = s
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
10cos(30t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Įėjimas x(t) = 10·cos(30t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 5·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo fazę φ įėjimo atžvilgiu laipsniais.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (5s + 22)/(s² + 11s + 28). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−4t + B·e−7t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (5s + 22)/(s² + 11s + 28)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Laplaso transformacija išspręskite y″ + 5y′ + 6y = 0, kai y(0) = 10 ir y′(0) = −5, ir raskite y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 10y′(0) = −5t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2tp​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 44/(s² + 3s + 22), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.

G(s) = 44/(s² + 3s + 22)
tp = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
+−12 VR = 6 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 6 Ω, L = 10 mH ir C = 100 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite pirmojo įtampos piko laiką tp ms.

R = 6 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 12 V
tp = ms
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 3

Raskite G(s) = 72/((s + 3)(s + 12)) tikslų modulį |G(jω)|, kai ω = 3 rad/s, dB.

G(s) = 72/((s + 3)(s + 12))ω = 3 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) = 42/(s(s + 3)(s + 4)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 42/(s(s + 3)(s + 4))
ω180 = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: D = 5 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 + 3 = 3 s
tend = 1 + 7 = 8 s

Atsakymas

D = 5 s

Atsakymas

D = 5 s
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: φ = −71,57 °

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)|.

Dažninė charakteristika

H(jω) = 5/(10 + jω)

Fazė įėjimo dažniu

φ = −atan(30/10) = −71,57°

Atsakymas

φ = −71,57°
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = 0,6667

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 + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 4) ir įrašykite s = −4: B narys išnyksta.

A = (5s + 22)/(s + 7) |s = −4 = 2/3 = 0,6667

Atsakymas

A = 0,6667
(B = 4,333, taigi f(t) = 0,6667·e−4t + 4,333·e−7t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.2) = 8,526

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 − 10s − (−5) + 5(sY − 10) + 6Y = 0
Y(s) = (10s + 45)/((s + 2)(s + 3))

Paprastosios trupmenos

A = 25/1 = 25
B = 15/(−1) = −15

Rezultatas

y(t) = 25·e−2t − 15·e−3t
y(0,2) = 8,526

Atsakymas

y(0,2) = 8,526

Patikra: y(0) = A + B = 10.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: tp = 0,7069 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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,69) = 0,3198

Rezultatas

ωd = 4,69·√(1 − 0,3198²) = 4,444 rad/s → tp = π/ωd = 0,7069 s

Atsakymas

tp = 0,7069 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: tp = 3,293 ms

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/√(0,01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (6/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,01) = 0,3

Rezultatas

ωd = 953,9 rad/s
tp = π/ωd = 3,293 ms

Atsakymas

tp = 3,293 ms
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: |G(jω)| = 2,747 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(j3)| = 72/(√(3² + 3²)·√(3² + 12²)) = 72/(4,243·12,37) = 1,372

Rezultatas

20·log₁₀(1,372) = 2,747 dB

Atsakymas

|G(jω)| = 2,747 dB
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ω180 = 3,464 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.

Fazės kirtimas

(ω/3)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(3·4) = 3,464 rad/s

Atsakymas

ω180 = 3,464 rad/s

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