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)t1

Input x(t) = 2·e−3tu(t) dikenakan pada sistem dengan h(t) = e−0.5tu(t). Cari output y(0.5) pada t = 0.5 s.

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−0.5tu(t)t = 0.5 s
y(0.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISukar
u[n]0.5+y[n]−0.8·z⁻¹+

Sistem mematuhi y[n] = −0.8·y[n − 1] + 0.5·x[n] dan bermula dalam keadaan rehat. Inputnya ialah langkah unit x[n] = u[n]. Cari y[3].

y[n] = −0.8y[n − 1] + 0.5x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (s + 26)/(s² + 6s + 9) dan nilaikan f(0.1).

F(s) = (s + 26)/(s² + 6s + 9)t = 0.1 s
f(0.1) =
4.Transformasi LaplaceSukar
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

Satu sistem mematuhi y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t). Ia bermula dari keadaan rehat (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya ialah langkah u(t) = 5 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0.25).

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.25 s
y(0.25) =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 60/(s² + 5s + 30) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 60/(s² + 5s + 30)
ts = s
6.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)115 %

Sistem peringkat kedua tanpa sifar mesti mempunyai sambutan langkah dengan lajakan 15 %. Cari nisbah redaman ζ.

%OS = 15 %
ζ =
7.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Cari magnitud tepat |G(jω)| bagi G(s) = 152/((s + 2)(s + 19)) pada ω = 4 rad/s, dalam dB.

G(s) = 152/((s + 2)(s + 19))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 210/(s(s + 7)(s + 8)). Cari frekuensi lintasan fasa ω180, di mana ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 210/(s(s + 7)(s + 8))
ω180 = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y(0.5) = 0.4445

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).

Kamiran konvolusi

y(t) = 2e−0.5t∫₀ᵗ e−(3 − 0.5)τ dτ = 2(e−0.5t − e−3t)/(2.5)

Nilaikan

y(0.5) = 2·(0.7788 − 0.2231)/(2.5) = 0.4445

Jawapan

y(0.5) = 0.4445
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawapan: y[3] = 0.164

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)|.

Lelar

y[0] = 0.5
y[1] = 0.1
y[2] = 0.42
y[3] = 0.164

Keputusan

y[3] = 0.5·(1 − (−0.8)4)/(1 − (−0.8)) = 0.164

Jawapan

y[3] = 0.164
3.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.1) = 2.445

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 + 26 = 1(s + 3) + 23
F(s) = 1/(s + 3) + 23/(s + 3)²

Transformasi songsang

f(t) = e−3t + 23·t·e−3t
f(0.1) = (1 + 23·0.1)·e−3·0.1 = 2.445

Jawapan

f(0.1) = 2.445
4.Transformasi Laplace

Jawapan: y(0.25) = 6.852

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) = 480/(s(s + 4)(s + 6))

Pecahan separa

A = 480/(4·6) = 20
B = 480/((−4)·2) = −60
C = 480/((−6)·(−2)) = 40

Pengeluaran

y(t) = 20 − 60·e−4t + 40·e−6t
y(0.25) = 6.852

Jawapan

y(0.25) = 6.852
5.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 1.6 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 = 30 → ωₙ = 5.477 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5.477) = 0.4564

Keputusan

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

Jawapan

ts = 1.6 s
6.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.5169

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(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 1.897/√(9.87 + 3.599) = 0.5169

Jawapan

ζ = 0.5169
7.Plot Bode dan margin

Jawapan: |G(jω)| = 4.863 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.

Darabkan magnitud

|G(j4)| = 152/(√(4² + 2²)·√(4² + 19²)) = 152/(4.472·19.42) = 1.75

Keputusan

20·log₁₀(1.75) = 4.863 dB

Jawapan

|G(jω)| = 4.863 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawapan: ω180 = 7.483 rad/s

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/7)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7.483 rad/s

Jawapan

ω180 = 7.483 rad/s

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