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)t24h(t)t21

Denyut x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 2 s dikonvolusikan dengan h(t), segi tiga yang jatuh secara linear dari 1 pada t = 0 ke 0 pada t = 2 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(2) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
x(t)t (ms)1243−3

Gelombang segi tiga naik dan turun secara linear antara −3 dan +3 dengan tempoh T = 2 ms. Cari amplitud c1 komponen Fouriernya pada 500 Hz.

±3T = 2 msf = 500 Hz
c1 =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = 50/(s(s + 5)(s + 6)) dengan pecahan separa, dan nilaikan f(0.2).

F(s) = 50/(s(s + 5)(s + 6))t = 0.2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 1.2y(1.2) = ?

Selesaikan y″ + 6y′ + 5y = 0 dengan y(0) = 4 dan y′(0) = −2 menggunakan transformasi Laplace, dan cari y(1.2).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 4y′(0) = −2t = 1.2 s
y(1.2) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 45/(s² + 4s + 90) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 45/(s² + 4s + 90)
tp = s
6.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 10)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 5 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 5 %
K =
7.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 1

Cari fasa ∠G(jω) bagi G(s) = 24(s + 12)/(s(s + 4)) pada ω = 1 rad/s, dalam darjah.

G(s) = 24(s + 12)/(s(s + 4))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 15 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: Ay = 8

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 = 4·2 = 8
∫h dt = ½·2·1 = 1

Luas output

Ay = 8·1 = 8

Jawapan

Ay = 8
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: c1 = 2.432

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)|.

Nombor harmonik

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 1

Amplitud

c1 = 8·3/(π²·1²) = 2.432

Jawapan

c1 = 2.432
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.2) = 0.4978

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).

Pecahan separa

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 50/(5·6) = 1.667
B = 50/((−5)·1) = −10
C = 50/((−6)·(−1)) = 8.333

Transformasi songsang

f(t) = 1.667 − 10·e−5t + 8.333·e−6t

Nilaikan

f(0.2) = 1.667 − 10·e−5·0.2 + 8.333·e−6·0.2 = 0.4978

Jawapan

f(0.2) = 0.4978
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(1.2) = 1.354

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

s²Y − 4s − (−2) + 6(sY − 4) + 5Y = 0
Y(s) = (4s + 22)/((s + 1)(s + 5))

Pecahan separa

A = 18/4 = 4.5
B = 2/(−4) = −0.5

Keputusan

y(t) = 4.5·e−t − 0.5·e−5t
y(1.2) = 1.354

Jawapan

y(1.2) = 1.354

Semak: y(0) = A + B = 4.

5.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.3388 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).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 90 → ωₙ = 9.487 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9.487) = 0.2108

Keputusan

ωd = 9.487·√(1 − 0.2108²) = 9.274 rad/s → tp = π/ωd = 0.3388 s

Jawapan

tp = 0.3388 s
6.Sambutan langkah

Jawapan: K = 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).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = K/(s² + 10s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901

Gandaan

ωₙ = 10/(2ζ) = 7.245 rad/s
K = ωₙ² = 52.49

Jawapan

K = 52.49
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: ∠G(jω) = −99.27 °

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(1/12) − 90° − atan(1/4) = 4.764° − 90° − 14.04°

Keputusan

∠G(j1) = −99.27°

Jawapan

∠G(jω) = −99.27°
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 112

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 fasa

(ω/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6.708 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Gandaan yang diperlukan

630/K = 1015/20 = 5.623
K = 630/5.623 = 112

Jawapan

K = 112

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