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)t0,510h(t)t1

Impulsas x(t) = 10, kai 0 ≤ t < 0.5 s (kitur nulis), paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−4tu(t). Raskite išėjimą y(1), kai t = 1 s, jau pasibaigus impulsui.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−4tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
10cos(10t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

Įėjimas x(t) = 10·cos(10t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 10·e−10tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo amplitudę Ym.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(10t)
Ym =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm5

Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = 24/(s² + 2s + 37), ir apskaičiuokite f(0,4).

F(s) = 24/(s² + 2s + 37)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sistema tenkina y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t), kai y(0) = 6 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 1. Laplaso transformacija raskite y(0,2).

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 219/(s² + 11s + 73), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.

G(s) = 219/(s² + 11s + 73)
ωn = rad/s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
+−12 VR = 130 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 130 Ω, L = 500 mH ir C = 4,7 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite neslopinamą savąjį dažnį ωn rad/s.

R = 130 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFV = 12 V
ωn = rad/s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Raskite G(s) = 27(s + 17)/(s(s + 11)) fazę ∠G(jω), kai ω = 5 rad/s, laipsniais.

G(s) = 27(s + 17)/(s(s + 11))ω = 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) = 174/(s(s + 4)(s + 7)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 174/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(1) = 0,2925

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(0,5) = (10/4)(1 − e−2) = 2,162

Mažėjimas po impulso

y(1) = 2,162·e−4·0,5 = 0,2925

Atsakymas

y(1) = 0,2925
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: Ym = 7,071

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) = 10/(10 + jω)

Stiprinimas įėjimo dažniu

|H(j10)| = 10/√(10² + 10²) = 0,7071
Ym = 10·0,7071 = 7,071

Atsakymas

Ym = 7,071
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.4) = 1,811

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 + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

Suderinkite skaitiklį

F(s) = (24/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−t·(4·sin 6t)
f(0,4) = e−0,4·(4·sin(6·0,4)) = 1,811

Atsakymas

f(0,4) = 1,811
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.2) = 5,861

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

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 6s + 24 + 9/s
Y(s) = (6s² + 24s + 9)/(s(s + 1)(s + 3))

Paprastosios trupmenos

A = 9/(1·3) = 3
B = −9/((−1)·2) = 4,5
C = −9/((−3)·(−2)) = −1,5

Rezultatas

y(t) = 3 + 4,5·e−t − 1,5·e−3t
y(0,2) = 5,861

Atsakymas

y(0,2) = 5,861

Patikra: y(0) = A + B + C = 6.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 8,544 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 = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,544) = 0,6437

Rezultatas

ωₙ = 8,544 rad/s

Atsakymas

ωn = 8,544 rad/s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ωn = 652,3 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).

Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·4,7 × 10⁻⁶) = 652,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (130/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,5) = 0,1993

Rezultatas

ωₙ = 652,3 rad/s

Atsakymas

ωn = 652,3 rad/s
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ∠G(jω) = −98,05 °

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(5/17) − 90° − atan(5/11) = 16,39° − 90° − 24,44°

Rezultatas

∠G(j5) = −98,05°

Atsakymas

∠G(jω) = −98,05°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: ω180 = 5,292 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/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Atsakymas

ω180 = 5,292 rad/s

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