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)t1h(t)t11

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
x(t)t (ms)2,55102−2

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
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

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
ReIm−1−2−3−4−5−61

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
t (s)y(t)1

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
k = 400 N/mc = 25 N·s/mm = 10 kgF = 50 Nx(t)

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
vin​R = 47 ΩL = 10 mHvout​

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
|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 + 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.

Fazės kirtimas

(ω/3)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(3·10) = 5,477 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 100)) = K/(3·10·(3 + 10)) = K/390

Reikalingas stiprinimas

390/K = 1012/20 = 3,981
K = 390/3,981 = 97,96

Atsakymas

K = 97,96

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