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)t14h(t)t1

Denyut x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 1 s (sifar di tempat lain) dikenakan pada sistem dengan h(t) = e−5tu(t). Cari output y(2) pada t = 2 s, selepas denyut berakhir.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
δ(t)y′ + 5y = 3xh(t)

Sistem mematuhi y′(t) + 5·y(t) = 3·x(t). Cari sambutan impulsnya pada t = 0.05 s, h(0.05).

y′ + 5y = 3xt = 0.05 s
h(0.05) =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (s + 25)/(s² + 6s + 9) dan nilaikan f(0.4).

F(s) = (s + 25)/(s² + 6s + 9)t = 0.4 s
f(0.4) =
4.Transformasi LaplaceSukar
ReIm−224

Satu sistem diterangkan oleh persamaan pembezaan y″ + 6y′ + 25y = u′ + u, dengan masukan u(t) dan keluaran y(t). Cari fungsi pindahnya G(s) = Y(s)/U(s) (syarat awal sifar) dan nilaikan sambutan dedenyut g(t) pada t = 0.1 s. Cari g(0.1).

y″ + 6y′ + 25y = u′ + ut = 0.1 s
g(0.1) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 15/(s² + 4s + 15) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 15/(s² + 4s + 15)
tp = s
6.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)15 %

Sistem peringkat kedua tanpa sifar mesti mempunyai sambutan langkah dengan lajakan 5 %. Cari nisbah redaman ζ.

%OS = 5 %
ζ =
7.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

Cari fasa ∠G(jω) bagi G(s) = 27(s + 15)/(s(s + 4)) pada ω = 4 rad/s, dalam darjah.

G(s) = 27(s + 15)/(s(s + 4))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 1600/(s(s + 20)). Cari margin fasa PM dalam darjah.

L(s) = 1600/(s(s + 20))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y(2) = 0.005354

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).

Output pada akhir denyut

y(1) = (4/5)(1 − e−5) = 0.7946

Reputan selepas denyut

y(2) = 0.7946·e−5·1 = 0.005354

Jawapan

y(2) = 0.005354
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: h(0.05) = 2.336

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)|.

Fungsi pindah

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 5)

Sambutan dedenyut

h(t) = 3·e−5tu(t)
h(0.05) = 3·e−0.25 = 2.336

Jawapan

h(0.05) = 2.336
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.4) = 2.952

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Pecahan separa

s + 25 = 1(s + 3) + 22
F(s) = 1/(s + 3) + 22/(s + 3)²

Transformasi songsang

f(t) = e−3t + 22·t·e−3t
f(0.4) = (1 + 22·0.4)·e−3·0.4 = 2.952

Jawapan

f(0.4) = 2.952
4.Transformasi Laplace

Jawapan: g(0.1) = 0.5381

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).

Fungsi pindah

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 1)/(s² + 6s + 25)

Pecahan separa

s² + 6s + 25 = (s + 3)² + 4²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 4²) + (−2/4)·4/((s + 3)² + 4²)

Sambutan dedenyut

g(t) = e−3t·(cos 4t − 0.5·sin 4t)
g(0.1) = 0.5381

Jawapan

g(0.1) = 0.5381
5.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.9472 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 = 15 → ωₙ = 3.873 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3.873) = 0.5164

Keputusan

ωd = 3.873·√(1 − 0.5164²) = 3.317 rad/s → tp = π/ωd = 0.9472 s

Jawapan

tp = 0.9472 s
6.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.6901

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).

Nisbah redaman

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

Jawapan

ζ = 0.6901
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: ∠G(jω) = −120.1 °

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(4/15) − 90° − atan(4/4) = 14.93° − 90° − 45°

Keputusan

∠G(j4) = −120.1°

Jawapan

∠G(jω) = −120.1°
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: PM = 28.02 °

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 + 400ω² − 2.56 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2.56 × 10⁶))/2 = 1412
ωc = 37.58 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(37.58/20) = −152°
PM = 180° + ∠L = 28.02°

Jawapan

PM = 28.02°

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