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)t4h(t)t11

Sistem mempunyai sambutan impuls h(t) = e−1tu(t). Inputnya ialah langkah x(t) = 4·u(t). Cari output y(0.2) pada t = 0.2 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0.2 s
y(0.2) =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Sistem mematuhi y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t). Cari sambutan impulsnya pada t = 0.1 s, h(0.1).

y′ + 4y = 3xt = 0.1 s
h(0.1) =
3.Transformasi LaplaceSederhana
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (6s + 2)/(s² + 12s + 32). Transformasi songsangnya berbentuk f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Cari pekali A dengan pecahan separa.

F(s) = (6s + 2)/(s² + 12s + 32)
A =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t). Ia bermula dari keadaan rehat (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya ialah langkah u(t) = 2 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0.1).

y″ + 7y′ + 10y = 20·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 124/(s² + 7s + 62) dan menerima input langkah unit. Cari nisbah redaman ζ.

G(s) = 124/(s² + 7s + 62)
ζ =
6.Sambutan langkahSukar
+−10 VR = 57 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 57 Ω, L = 10 mH dan C = 2 µF disambungkan kepada langkah 10 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari voltan pemuat puncak vC,max.

R = 57 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 10 V
vC,max = V
7.Plot Bode dan marginSederhana
vin​L = 100 mHC = 4.7 µFR = 5 Ωvout​

Dalam penapis laluan jalur RLC sesiri yang ditunjukkan output diambil merentasi R = 5 Ω, dengan L = 100 mH dan C = 4.7 µF. Cari faktor kualiti Q.

R = 5 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
Q =
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 + 1)(s + 4)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))GM = 3 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y(0.2) = 0.7251

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) = 4·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (4/1)·(1 − e−1t)

Nilaikan

y(0.2) = 4·(1 − e−0.2) = 0.7251

Jawapan

y(0.2) = 0.7251
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: h(0.1) = 2.011

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 + 4)

Sambutan dedenyut

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(0.1) = 3·e−0.4 = 2.011

Jawapan

h(0.1) = 2.011
3.Transformasi Laplace

Jawapan: A = −5.5

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

Petua tutup

Darabkan dengan (s + 4) dan tetapkan s = −4: sebutan B lenyap.

A = (6s + 2)/(s + 8) |s = −4 = −22/4 = −5.5

Jawapan

A = −5.5
(B = 11.5, maka f(t) = −5.5·e−4t + 11.5·e−8t)
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.1) = 0.1592

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

Y(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))

Pecahan separa

A = 40/(2·5) = 4
B = 40/((−2)·3) = −6.667
C = 40/((−5)·(−3)) = 2.667

Pengeluaran

y(t) = 4 − 6.667·e−2t + 2.667·e−5t
y(0.1) = 0.1592

Jawapan

y(0.1) = 0.1592
5.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.4445

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 = 62 → ωₙ = 7.874 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7.874) = 0.4445

Keputusan

ζ = 0.4445

Jawapan

ζ = 0.4445
6.Sambutan langkah

Jawapan: vC,max = 12.51 V

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/√(0.01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(2 × 10⁻⁶/0.01) = 0.4031

Keputusan

%OS = 25.07 %
vC,max = 10·(1 + 0.2507) = 12.51 V

Jawapan

vC,max = 12.51 V
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: Q = 29.17

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 × 10⁻⁶) = 1459 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 232.2 Hz

Faktor kualiti

BW = R/L = 5/0.1 = 50 rad/s = 7.958 Hz
Q = ω₀/BW = 1459/50 = 29.17

Jawapan

Q = 29.17
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 14.16

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/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 16)) = K/(1·4·(1 + 4)) = K/20

Gandaan yang diperlukan

20/K = 103/20 = 1.413
K = 20/1.413 = 14.16

Jawapan

K = 14.16

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