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)t10h(t)t1

Įėjimas x(t) = 10·e−4tu(t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−1tu(t). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s.

x(t) = 10·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)0,6242

Impulsų seka turi aukštį 2, impulso plotį 0,6 ms ir periodą 2 ms. Raskite jos pastoviąją dedamąją (vidutinę reikšmę) c0.

A = 2τ = 0,6 msT = 2 ms
c0 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−5−105

Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (2s + 18)/(s² + 6s + 34), ir apskaičiuokite f(0,3).

F(s) = (2s + 18)/(s² + 6s + 34)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sistema tenkina y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t). Ji pradeda iš rimties (y(0) = 0, y′(0) = 0), o įėjimas yra šuolis u(t) = 1, kai t ≥ 0. Laplaso transformacija raskite išėjimą y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 18/(s² + 3s + 6), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 18/(s² + 3s + 6)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
k = 500 N/mc = 3 N·s/mm = 0,5 kgF = 10 Nx(t)

0,5 kg masė kabo ant 500 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 3 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 10 N. Raskite didžiausią poslinkį xmax mm.

m = 0,5 kgk = 500 N/mc = 3 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​R = 10 ΩL = 10 mHvout​

Parodytas RL aukštųjų dažnių filtras turi R = 10 Ω, L = 10 mH. Taikoma sinusinė įvestis 480 Hz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.

R = 10 ΩL = 10 mHf = 480 Hz
φ = °
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 11/(s(s + 2)). Raskite stiprinimo kirtimo dažnį ωc, kai |L(jω)| = 1.

L(s) = 11/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(1) = 1,165

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).

Sąsūkos integralas

y(t) = 10e−1t∫₀ᵗ e−(4 − 1)τ dτ = 10(e−1t − e−4t)/(3)

Apskaičiuokite

y(1) = 10·(0,3679 − 0,01832)/(3) = 1,165

Atsakymas

y(1) = 1,165
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c0 = 0,6

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)|.

Pildymo koeficientas

D = 0,6/2 = 0,3

Vidutinė reikšmė

c₀ = 2·0,3 = 0,6

Atsakymas

c0 = 0,6
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.3) = 1,031

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).

Išskirkite pilnąjį kvadratą

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 25 = (s + 3)² + 5²

Suderinkite skaitiklį

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (12/5)·5/((s + 3)² + 5²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−3t·(2·cos 5t + 2,4·sin 5t)
f(0,3) = e−3·0,3·(2·cos(5·0,3) + 2,4·sin(5·0,3)) = 1,031

Atsakymas

f(0,3) = 1,031
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.2) = 0,26

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

Y(s) = 18/(s(s + 2)(s + 3))

Paprastosios trupmenos

A = 18/(2·3) = 3
B = 18/((−2)·1) = −9
C = 18/((−3)·(−1)) = 6

Išskirta

y(t) = 3 − 9·e−2t + 6·e−3t
y(0,2) = 0,26

Atsakymas

y(0,2) = 0,26
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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,449) = 0,6124

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Atsakymas

σ = −1,5
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: xmax = 34,83 mm

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) = √(500/0,5) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 3/(2·√(500·0,5)) = 0,09487

Rezultatas

xst = F/k = 10/500 m = 20 mm
%OS = 74,13 %
xmax = 20·(1 + 0,7413) = 34,83 mm

Atsakymas

xmax = 34,83 mm
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: φ = 18,34 °

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 = 10/0,01 = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 480/159,2 = 3,016

Fazė

φ = 90° − atan(3,016) = 18,34°

Atsakymas

φ = 18,34°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ωc = 3,03 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.

Stiprinimo kirtimas

ω⁴ + 4ω² − 121 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·121))/2 = 9,18
ωc = 3,03 rad/s

Atsakymas

ωc = 3,03 rad/s

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