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)t5h(t)t1

Įėjimas x(t) = 5·e−6tu(t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = e−4tu(t). Raskite išėjimą y(0,5), kai t = 0,5 s.

x(t) = 5·e−6tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
5cos(60t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

Įėjimas x(t) = 5·cos(60t) paduodamas į sistemą, kurios h(t) = 5·e−20tu(t). Raskite nusistovėjusio išėjimo amplitudę Ym.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(60t)
Ym =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (6s + 21)/(s² + 14s + 48). Jos atvirkštinė transformacija yra f(t) = A·e−6t + B·e−8t. Paprastosiomis trupmenomis raskite koeficientą A.

F(s) = (6s + 21)/(s² + 14s + 48)
A =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Sistema tenkina y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t), kai y(0) = 6 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 5. Laplaso transformacija raskite y(1).

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 1 s
y(1) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 261/(s² + 8s + 87), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.

G(s) = 261/(s² + 8s + 87)
%OS = %
6.Šuolinė reakcijaSunkus
k = 400 N/mc = 36 N·s/mm = 20 kgF = 10 Nx(t)

20 kg masė kabo ant 400 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 36 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 10 N. Raskite poslinkio procentinį viršijimą %OS.

m = 20 kgk = 400 N/mc = 36 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 20

Raskite G(s) = 648/((s + 4)(s + 9)) tikslų modulį |G(jω)|, kai ω = 20 rad/s, dB.

G(s) = 648/((s + 4)(s + 9))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 160/(s(s + 5)). Raskite fazės atsargą PM laipsniais.

L(s) = 160/(s(s + 5))
PM = °

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(0.5) = 0,2139

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) = 5e−4t∫₀ᵗ e−(6 − 4)τ dτ = 5(e−4t − e−6t)/(2)

Apskaičiuokite

y(0,5) = 5·(0,1353 − 0,04979)/(2) = 0,2139

Atsakymas

y(0,5) = 0,2139
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: Ym = 0,3953

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/(20 + jω)

Stiprinimas įėjimo dažniu

|H(j60)| = 5/√(20² + 60²) = 0,07906
Ym = 5·0,07906 = 0,3953

Atsakymas

Ym = 0,3953
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: A = −7,5

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 + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)

Uždengimo taisyklė

Padauginkite iš (s + 6) ir įrašykite s = −6: B narys išnyksta.

A = (6s + 21)/(s + 8) |s = −6 = −15/2 = −7,5

Atsakymas

A = −7,5
(B = 13,5, taigi f(t) = −7,5·e−6t + 13,5·e−8t)
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(1) = 13,59

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 + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 100/s
Y(s) = (6s² + 36s + 100)/(s(s + 1)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 100/(1·5) = 20
B = 70/((−1)·4) = −17,5
C = 70/((−5)·(−4)) = 3,5

Rezultatas

y(t) = 20 − 17,5·e−t + 3,5·e−5t
y(1) = 13,59

Atsakymas

y(1) = 13,59

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

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 22,51 %

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 = 87 → ωₙ = 9,327 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,327) = 0,4288

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,491 = 22,51 %

Atsakymas

%OS = 22,51 %
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 52,44 %

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) = √(400/20) = 4,472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 36/(2·√(400·20)) = 0,2012

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,44 %

Atsakymas

%OS = 52,44 %
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: |G(jω)| = 3,219 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(j20)| = 648/(√(20² + 4²)·√(20² + 9²)) = 648/(20,4·21,93) = 1,449

Rezultatas

20·log₁₀(1,449) = 3,219 dB

Atsakymas

|G(jω)| = 3,219 dB
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: PM = 22,34 °

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.

Stiprinimo kirtimas

ω⁴ + 25ω² − 25600 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·25600))/2 = 148
ωc = 12,17 rad/s

Fazės atsarga

∠L(jωc) = −90° − atan(12,17/5) = −157,7°
PM = 180° + ∠L = 22,34°

Atsakymas

PM = 22,34°

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