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)t0,251

Sistemos impulsinė charakteristika h(t) = e−4tu(t). Įėjimas yra šuolis x(t) = 1·u(t). Raskite išėjimą y(1,5), kai t = 1,5 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Sąsūka ir LTI sistemosSunkus
x(t)t (ms)510205−5

Trikampė banga tiesiškai kyla ir krinta tarp −5 ir +5, jos periodas T = 10 ms. Raskite jos Furjė dedamosios, kurios dažnis 500 Hz, amplitudę c5.

±5T = 10 msf = 500 Hz
c5 =
3.Laplaso transformacijosVidutinis
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Raskite f(t), kai F(s) = (5s + 21)/(s² + 4s + 4), ir apskaičiuokite f(0,2).

F(s) = (5s + 21)/(s² + 4s + 4)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Laplaso transformacijosSunkus
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Sistema tenkina y″ + 8y′ + 15y = 22,5·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(0,1).

y″ + 8y′ + 15y = 22,5·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 62/(s² + 6s + 31), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 62/(s² + 6s + 31)
ts = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
R(s)+90s(s + 4)G(s)C(s)−

Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 90/(s(s + 4)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 90/(s(s + 4))
ts = s
7.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
vin​R = 1 kΩC = 10 nFvout​

Parodytas RC žemųjų dažnių filtras turi R = 1 kΩ, C = 10 nF. Taikoma sinusinė įvestis 32 kHz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.

R = 1 kΩC = 10 nFf = 32 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 + 4)(s + 10)). Raskite stiprinimą K, duodantį 15 dB stiprinimo atsargą.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))GM = 15 dB
K =

3Tirpalai

1.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: y(1.5) = 0,2494

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−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)

Apskaičiuokite

y(1,5) = 0,25·(1 − e−6) = 0,2494

Atsakymas

y(1,5) = 0,2494
2.Sąsūka ir LTI sistemos

Atsakymas: c5 = 0,1621

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 = 100 Hz → k = 5

Amplitudė

c5 = 8·5/(π²·5²) = 0,1621

Atsakymas

c5 = 0,1621
3.Laplaso transformacijos

Atsakymas: f(0.2) = 4,826

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

Paprastosios trupmenos

5s + 21 = 5(s + 2) + 11
F(s) = 5/(s + 2) + 11/(s + 2)²

Atvirkštinė transformacija

f(t) = 5·e−2t + 11·t·e−2t
f(0,2) = (5 + 11·0,2)·e−2·0,2 = 4,826

Atsakymas

f(0,2) = 4,826
4.Laplaso transformacijos

Atsakymas: y(0.1) = 0,08663

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) = 22,5/(s(s + 3)(s + 5))

Paprastosios trupmenos

A = 22,5/(3·5) = 1,5
B = 22,5/((−3)·2) = −3,75
C = 22,5/((−5)·(−2)) = 2,25

Išskirta

y(t) = 1,5 − 3,75·e−3t + 2,25·e−5t
y(0,1) = 0,08663

Atsakymas

y(0,1) = 0,08663
5.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ts = 1,333 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 = 31 → ωₙ = 5,568 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,568) = 0,5388

Rezultatas

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Atsakymas

ts = 1,333 s
6.Šuolinė reakcija

Atsakymas: ts = 2 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).

Uždarosios sistemos perdavimo funkcija

T(s) = 90/(s² + 4s + 90): ωₙ = 9,487 rad/s, ζ = 0,2108

Nusistovėjimo laikas

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Atsakymas

ts = 2 s

Šiame kontūre ζωₙ = a/2 nepriklausomai nuo K: didinant K viršijimas auga, bet nusistovėjimo laikas netrumpėja.

7.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: φ = −63,56 °

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 = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁸) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 32000/15915 = 2,011

Fazė

φ = − atan(2,011) = −63,56°

Atsakymas

φ = −63,56°
8.Bode grafikai ir atsargos

Atsakymas: K = 99,58

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/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Modulis ties fazės kirtimu

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Reikalingas stiprinimas

560/K = 1015/20 = 5,623
K = 560/5,623 = 99,58

Atsakymas

K = 99,58

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