Isyarat dan Sistem: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi selanjar
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan hasil tambah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Mula, tamat dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Langkah ke dalam e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem tertib pertama
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi tertib pertama
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoid melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitud siri Fourier
segi empat ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segi tiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; rentetan denyut: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Kaedah

  1. Lakarkan kedua-dua isyarat dan catat di mana setiap satu bukan sifar.
  2. Balikkan h dan gelongsorkannya: bagi setiap masa output, cari julat di mana kedua-dua isyarat bertindih.
  3. Darab dan tambah (diskret) atau darab dan kamirkan (selanjar) pada pertindihan itu sahaja.
  4. Semak hasilnya: output bermula pada hasil tambah masa mula, berakhir pada hasil tambah masa tamat, dan luas atau hasil tambahnya ialah hasil darab luas atau hasil tambah input.

2Soalan latihan

1.Konvolusi & sistem LTISederhana
x(t)t25h(t)t41

Denyut x(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 2 s dikonvolusikan dengan denyut h(t) = 1 untuk 0 ≤ t < 4 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
5cos(6t)h(t) = 2e−2t​u(t)y(t)

Input x(t) = 5·cos(6t) dikenakan pada sistem dengan h(t) = 2·e−2tu(t). Cari amplitud Ym output keadaan mantap.

h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 5cos(6t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (4s + 24)/(s² + 2s + 1) dan nilaikan f(0.3).

F(s) = (4s + 24)/(s² + 2s + 1)t = 0.3 s
f(0.3) =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t), dengan y(0) = 6 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 masukan langkah u(t) = 5 dikenakan. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0.2).

y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.2 s
y(0.2) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 99/(s² + 4s + 99) dan menerima input langkah unit. Cari peratusan lajakan %OS bagi sambutan langkah.

G(s) = 99/(s² + 4s + 99)
%OS = %
6.Sambutan langkahSukar
R(s)+20s(s + 2)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 20/(s(s + 2)). Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah gelung tertutup, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 20/(s(s + 2))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 5

Cari fasa ∠G(jω) bagi G(s) = 19(s + 13)/(s(s + 2)) pada ω = 5 rad/s, dalam darjah.

G(s) = 19(s + 13)/(s(s + 2))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 210/(s(s + 5)). Cari margin fasa PM dalam darjah.

L(s) = 210/(s(s + 5))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: Ay = 40

Konvolusi selanjar: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, gelongsorkan ke kedudukan t dan kamirkan hasil darab bahagian yang bertindih. Untuk isyarat kausal kamiran berjalan dari 0 hingga t. Keputusan berguna: luas y ialah luas x darab luas h; jika x berlangsung dari t₁ hingga t₂ dan h dari t₃ hingga t₄, y berlangsung dari t₁ + t₃ hingga t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan langkah setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Luas input

∫x dt = 5·2 = 10
∫h dt = 1·4 = 4

Luas output

Ay = 10·4 = 40

Jawapan

Ay = 40
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: Ym = 1.581

Sambutan impuls dan siri Fourier: sambutan impuls h(t) menerangkan sistem LTI dengan lengkap: bagi y′ + a·y = b·x ia ialah h(t) = b·e−atu(t), dan bagi y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ia ialah h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoid cos ωt melaluinya dengan gandaan |H(jω)| dan fasa ∠H(jω), dengan H ialah transformasi Fourier bagi h. Isyarat berkala ialah hasil tambah harmonik pada k/T: gelombang segi empat ±A hanya mempunyai harmonik ganjil dengan amplitud 4A/(kπ), gelombang segi tiga berpuncak A mempunyai 8A/(π²k²), dan rentetan denyut setinggi A dengan kitar tugas D mempunyai min A·D dan harmonik (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Sambutan frekuensi

H(jω) = 2/(2 + jω)

Gandaan pada frekuensi input

|H(j6)| = 2/√(2² + 6²) = 0.3162
Ym = 5·0.3162 = 1.581

Jawapan

Ym = 1.581
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.3) = 7.408

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Faktorkan penyebut

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

Pecahan separa

4s + 24 = 4(s + 1) + 20
F(s) = 4/(s + 1) + 20/(s + 1)²

Transformasi songsang

f(t) = 4·e−t + 20·t·e−t
f(0.3) = (4 + 20·0.3)·e−0.3 = 7.408

Jawapan

f(0.3) = 7.408
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.2) = 6.435

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaan

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 80/s
Y(s) = (6s² + 36s + 80)/(s(s + 2)(s + 4))

Pecahan separa

A = 80/(2·4) = 10
B = 32/((−2)·2) = −8
C = 32/((−4)·(−2)) = 4

Keputusan

y(t) = 10 − 8·e−2t + 4·e−4t
y(0.2) = 6.435

Jawapan

y(0.2) = 6.435

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

5.Sambutan langkah

Jawapan: %OS = 52.49 %

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 99 → ωₙ = 9.95 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9.95) = 0.201

Keputusan

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.6446 = 52.49 %

Jawapan

%OS = 52.49 %
6.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 4 s

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = 20/(s² + 2s + 20): ωₙ = 4.472 rad/s, ζ = 0.2236

Masa pengenapan

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Jawapan

ts = 4 s

Bagi gelung ini ζωₙ = a/2 walau apa pun K: menaikkan K menambah lajakan tetapi tidak memendekkan masa pengenapan.

7.Plot Bode dan margin

Jawapan: ∠G(jω) = −137.2 °

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Tambah sudut

∠G = atan(5/13) − 90° − atan(5/2) = 21.04° − 90° − 68.2°

Keputusan

∠G(j5) = −137.2°

Jawapan

∠G(jω) = −137.2°
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: PM = 19.57 °

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Lintasan gandaan

ω⁴ + 25ω² − 44100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·44100))/2 = 197.9
ωc = 14.07 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(14.07/5) = −160.4°
PM = 180° + ∠L = 19.57°

Jawapan

PM = 19.57°

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