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)t12h(t)t04

Signalas x(t) nelygus nuliui tik tarp t = 1 s ir t = 2 s, o h(t) – tik tarp t = 0 s ir t = 4 s. Raskite laiką tend, kada y(t) = x(t) ∗ h(t) baigiasi.

x: 1 … 2 sh: 0 … 4 s
tend = s
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)0,5123−3

Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −3 ir +3, jos periodas T = 1 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 1000 Hz, amplitudę c1.

±3T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
ReIm−5−105

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

F(s) = (4s + 37)/(s² + 2s + 37)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Sistema tenkina y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t), kai y(0) = 4 ir y′(0) = 0. Ties t = 0 pridedamas šuolinis įėjimas u(t) = 2. Laplaso transformacija raskite y(0,8).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 93/(s² + 6s + 31), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.

G(s) = 93/(s² + 6s + 31)
σ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
+−12 VR = 268 ΩL = 500 mHC = 10 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 268 Ω, L = 500 mH ir C = 10 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite kondensatoriaus įtampos procentinį viršijimą %OS.

R = 268 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 12 V
%OS = %
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

Raskite G(s) = 1008/((s + 7)(s + 18)) tikslų modulį |G(jω)|, kai ω = 30 rad/s, dB.

G(s) = 1008/((s + 7)(s + 18))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode grafikai ir atsargosSunkus
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)). Raskite stiprinimą K, duodantį 20 dB stiprinimo atsargą.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))GM = 20 dB
K =

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: tend = 6 s

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).

Pradžia ir pabaiga

tstart = 1 + 0 = 1 s
tend = 2 + 4 = 6 s

Atsakymas

tend = 6 s

Atsakymas

tend = 6 s
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c1 = 2,432

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 = 1000 Hz → k = 1

Amplitudė

c1 = 8·3/(π²·1²) = 2,432

Atsakymas

c1 = 2,432
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.4) = 0,5131

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) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (33/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Atvirkštinė transformacija

f(t) = e−t·(4·cos 6t + 5,5·sin 6t)
f(0,4) = e−0,4·(4·cos(6·0,4) + 5,5·sin(6·0,4)) = 0,5131

Atsakymas

f(0,4) = 0,5131
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.8) = 4

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 + 7s + 6)·Y(s) = 4s + 28 + 24/s
Y(s) = (4s² + 28s + 24)/(s(s + 1)(s + 6))

Paprastosios trupmenos

A = 24/(1·6) = 4
B = 0/((−1)·5) = 0
C = 0/((−6)·(−5)) = 0

Rezultatas

y(t) = 4
y(0,8) = 4

Atsakymas

y(0,8) = 4

Patikra: y(0) = A + B + C = 4.

5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: σ = −3

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 = 31 → ωₙ = 5,568 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,568) = 0,5388

Rezultatas

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Atsakymas

σ = −3
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: %OS = 9,521 %

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/√(0,5·1 × 10⁻⁵) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (268/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,5) = 0,5993

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,521 %

Atsakymas

%OS = 9,521 %
7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: |G(jω)| = −0,5813 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(j30)| = 1008/(√(30² + 7²)·√(30² + 18²)) = 1008/(30,81·34,99) = 0,9353

Rezultatas

20·log₁₀(0,9353) = −0,5813 dB

Atsakymas

|G(jω)| = −0,5813 dB
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: K = 16

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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

Reikalingas stiprinimas

160/K = 1020/20 = 10
K = 160/10 = 16

Atsakymas

K = 16

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