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)t2h(t)t0.21

Sistem mempunyai sambutan impuls h(t) = e−5tu(t). Inputnya ialah langkah x(t) = 2·u(t). Cari output y(0.2) pada t = 0.2 s.

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0.2 s
y(0.2) =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
10cos(10t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

Input x(t) = 10·cos(10t) dikenakan pada sistem dengan h(t) = 10·e−10tu(t). Cari amplitud Ym output keadaan mantap.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(10t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = 40/(s(s + 4)(s + 5)) dengan pecahan separa, dan nilaikan f(0.3).

F(s) = 40/(s(s + 4)(s + 5))t = 0.3 s
f(0.3) =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t), dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 masukan langkah u(t) = 10 dikenakan. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0.3).

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.3 s
y(0.3) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 39/(s² + 4s + 39) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.

G(s) = 39/(s² + 4s + 39)
σ =
6.Sambutan langkahSukar
+−10 VR = 100 ΩL = 10 mHC = 1 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 100 Ω, L = 10 mH dan C = 1 µF disambungkan kepada langkah 10 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari masa tp bagi puncak voltan pertama, dalam ms.

R = 100 ΩL = 10 mHC = 1 µFV = 10 V
tp = ms
7.Plot Bode dan marginSederhana
vin​L = 100 mHC = 0.47 µFR = 10 Ωvout​

Dalam penapis laluan jalur RLC sesiri yang ditunjukkan output diambil merentasi R = 10 Ω, dengan L = 100 mH dan C = 0.47 µF. Cari frekuensi pusat (salunan) f0 dalam Hz.

R = 10 ΩL = 100 mHC = 0.47 µF
f0 = Hz
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) = 100/(s(s + 2)(s + 7)). Cari margin gandaan GM dalam dB.

L(s) = 100/(s(s + 2)(s + 7))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y(0.2) = 0.2528

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).

Konvolusi dengan langkah

y(t) = 2·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (2/5)·(1 − e−5t)

Nilaikan

y(0.2) = 0.4·(1 − e−1) = 0.2528

Jawapan

y(0.2) = 0.2528
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: Ym = 7.071

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) = 10/(10 + jω)

Gandaan pada frekuensi input

|H(j10)| = 10/√(10² + 10²) = 0.7071
Ym = 10·0.7071 = 7.071

Jawapan

Ym = 7.071
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.3) = 0.7731

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 40/(4·5) = 2
B = 40/((−4)·1) = −10
C = 40/((−5)·(−1)) = 8

Transformasi songsang

f(t) = 2 − 10·e−4t + 8·e−5t

Nilaikan

f(0.3) = 2 − 10·e−4·0.3 + 8·e−5·0.3 = 0.7731

Jawapan

f(0.3) = 0.7731
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.3) = 9.542

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 + 5)·Y(s) = 5s + 30 + 200/s
Y(s) = (5s² + 30s + 200)/(s(s + 1)(s + 5))

Pecahan separa

A = 200/(1·5) = 40
B = 175/((−1)·4) = −43.75
C = 175/((−5)·(−4)) = 8.75

Keputusan

y(t) = 40 − 43.75·e−t + 8.75·e−5t
y(0.3) = 9.542

Jawapan

y(0.3) = 9.542

Semak: y(0) = A + B + C = 5.

5.Sambutan langkah

Jawapan: σ = −2

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 = 39 → ωₙ = 6.245 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6.245) = 0.3203

Keputusan

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Jawapan

σ = −2
6.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.3628 ms

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).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (100/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.01) = 0.5

Keputusan

ωd = 8660 rad/s
tp = π/ωd = 0.3628 ms

Jawapan

tp = 0.3628 ms
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: f0 = 734.1 Hz

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.

Frekuensi salunan

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7 × 10⁻⁷) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734.1 Hz

Jawapan

f0 = 734.1 Hz
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: GM = 2.007 dB

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/2)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(2·7) = 3.742 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 49)) = K/(2·7·(2 + 7)) = K/126

Margin gandaan

GM = 20·log₁₀(126/100) = 2.007 dB

Jawapan

GM = 2.007 dB

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