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
Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−1tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(2), kai t = 2 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 2 s
y(2) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
Stačiakampė banga kinta tarp +2 ir −2, jos periodas T = 5 ms (pusę periodo kiekviename lygyje). Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 1400 Hz, amplitudę c7.
±2T = 5 msf = 1400 Hz
c7 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
Paprastosiomis trupmenomis raskite f(t), kai F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 3)), ir apskaičiuokite f(0,3).
F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 18u, kurios įėjimas u(t), o išėjimas y(t). Raskite jos perdavimo funkciją G(s) = Y(s)/U(s) (pradinės sąlygos nulinės) ir apskaičiuokite impulsinę reakciją g(t) ties t = 0,2 s. Raskite g(0,2).
y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 18ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 85/(s² + 12s + 85), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.
G(s) = 85/(s² + 12s + 85)
ωn = rad/s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
10 kg masė kabo ant 400 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 25 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 50 N. Raskite laiką tp, kai poslinkis didžiausias.
m = 10 kgk = 400 N/mc = 25 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
Parodytas RL aukštųjų dažnių filtras turi R = 47 Ω, L = 10 mH. Taikoma sinusinė įvestis 2,2 kHz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.
R = 47 ΩL = 10 mHf = 2,2 kHz
φ = °
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)). Raskite stiprinimą K, duodantį 12 dB stiprinimo atsargą.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))GM = 12 dB
K =
3Tirpalai
1.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: y(2) = 0,8647
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) = 1·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (1/1)·(1 − e−1t)
Apskaičiuokite
y(2) = 1·(1 − e−2) = 0,8647
Atsakymas
y(2) = 0,8647
2.Sąsūka ir LTI sistemos
Atsakymas: c7 = 0,3638
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 = 1400/200 = 7
Amplitudė
c7 = 4·2/(7π) = 0,3638
Atsakymas
c7 = 0,3638
3.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.3) = 0,8335
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 + 2) + C/(s + 3)
A = 30/(2·3) = 5
B = 30/((−2)·1) = −15
C = 30/((−3)·(−1)) = 10
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 5 − 15·e−2t + 10·e−3t
Apskaičiuokite
f(0,3) = 5 − 15·e−2·0,3 + 10·e−3·0,3 = 0,8335
Atsakymas
f(0,3) = 0,8335
4.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.2) = 2,674
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).
Perdavimo funkcija
G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 18)/(s² + 6s + 8)
Paprastosios trupmenos
s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 6, B = −3
Impulsinė reakcija
g(t) = 6·e−2t − 3·e−4t
g(0,2) = 2,674
Atsakymas
g(0,2) = 2,674
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 9,22 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 = 85 → ωₙ = 9,22 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,22) = 0,6508
Rezultatas
ωₙ = 9,22 rad/s
Atsakymas
ωn = 9,22 rad/s
6.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,5067 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) = √(400/10) = 6,325 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 25/(2·√(400·10)) = 0,1976
Rezultatas
ωd = 6,2 rad/s
tp = π/ωd = 0,5067 s
Atsakymas
tp = 0,5067 s
7.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: φ = 18,78 °
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.
Lūžio dažnis
ωc = R/L = 47/0,01 = 4700 rad/s
fc = 748 Hz → f/fc = 2200/748 = 2,941
Fazė
φ = 90° − atan(2,941) = 18,78°
Atsakymas
φ = 18,78°
8.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: K = 97,96
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.