Signalen en systemen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Convolutie en LTI-systemen

Discrete convolutie
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Continue convolutie
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Lengte en som
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Begin, einde en oppervlakte
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Stap in e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Eerste-ordesysteem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Eerste-orde-recursie
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoïde door h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes van de fourierreeks
blokgolf ±A: 4A/(kπ), oneven k; driehoek ±A: 8A/(π²k²), oneven k; pulstrein: A·D en (2A/(kπ))|sin kπD|

Methode

  1. Schets beide signalen en noteer waar elk ervan niet nul is.
  2. Spiegel h en schuif hem: zoek voor elk uitgangstijdstip het bereik waar beide signalen overlappen.
  3. Vermenigvuldig en tel op (discreet) of vermenigvuldig en integreer (continu) over alleen die overlap.
  4. Controleer het resultaat: de uitgang begint bij de som van de starttijden, eindigt bij de som van de eindtijden, en zijn oppervlakte of som is het product van de oppervlakten of sommen van de ingangen.

2Oefenopgaven

1.Convolutie en LTI-systemenGemiddeld
x(t)t31h(t)t14

De puls x(t) = 1 voor 0 ≤ t < 3 s wordt geconvolueerd met h(t), een driehoek die lineair daalt van 4 bij t = 0 naar 0 bij t = 1 s. Bepaal de oppervlakte Ay onder y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 1, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(1) = 0
Ay =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
5cos(7,5t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

De ingang x(t) = 5·cos(7,5t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = 10·e−10tu(t). Bepaal de amplitude Ym van de stationaire uitgang.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 5cos(7,5t)
Ym =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = (6s + 18)/(s² + 4s + 4) en bereken f(0,2).

F(s) = (6s + 18)/(s² + 4s + 4)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−1−2−3−41

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 4y′ + 5y = 4u′ + 17u, met ingang u(t) en uitgang y(t). Bepaal de overdrachtsfunctie G(s) = Y(s)/U(s) (beginvoorwaarden nul) en bereken de impulsresponsie g(t) bij t = 0,75 s. Bepaal g(0,75).

y″ + 4y′ + 5y = 4u′ + 17ut = 0,75 s
g(0.75) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)3ts​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 63/(s² + 2s + 21) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 63/(s² + 2s + 21)
ts = s
6.StapresponsieMoeilijk
R(s)+145s(s + 12)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 145/(s(s + 12)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 145/(s(s + 12))
ts = s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 60/((s + 1)(s + 20)) bij ω = 10 rad/s, in dB.

G(s) = 60/((s + 1)(s + 20))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 2 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))GM = 2 dB
K =

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ay = 6

Continue convolutie: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Spiegel h, schuif hem naar positie t en integreer het product van de overlappende delen. Voor causale signalen loopt de integraal van 0 tot t. Handige resultaten: de oppervlakte van y is de oppervlakte van x maal die van h; als x duurt van t₁ tot t₂ en h van t₃ tot t₄, dan duurt y van t₁ + t₃ tot t₂ + t₄. Voor h(t) = e−atu(t) en een stap met hoogte A is y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Oppervlakten van de ingangen

∫x dt = 1·3 = 3
∫h dt = ½·1·4 = 2

Oppervlakte van de uitgang

Ay = 3·2 = 6

Antwoord

Ay = 6
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: Ym = 4

Impulsresponsie en fourierreeks: de impulsresponsie h(t) beschrijft een LTI-systeem volledig: voor y′ + a·y = b·x is die h(t) = b·e−atu(t), en voor y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] is die h[n] = b·aⁿu[n]. Een sinusoïde cos ωt gaat erdoorheen met versterking |H(jω)| en fase ∠H(jω), waarbij H de fouriertransformatie van h is. Een periodiek signaal is een som van harmonischen bij k/T: een blokgolf van ±A heeft alleen oneven harmonischen met amplitudes 4A/(kπ), een driehoeksgolf met piek A heeft 8A/(π²k²), en een pulstrein met hoogte A en duty cycle D heeft het gemiddelde A·D en de harmonischen (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Frequentierespons

H(jω) = 10/(10 + jω)

Versterking bij de ingangsfrequentie

|H(j7,5)| = 10/√(10² + 7,5²) = 0,8
Ym = 5·0,8 = 4

Antwoord

Ym = 4
3.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.2) = 4,826

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Ontbind de noemer

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Partieelbreuken

6s + 18 = 6(s + 2) + 6
F(s) = 6/(s + 2) + 6/(s + 2)²

Inverse transformatie

f(t) = 6·e−2t + 6·t·e−2t
f(0,2) = (6 + 6·0,2)·e−2·0,2 = 4,826

Antwoord

f(0,2) = 4,826
4.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.75) = 2,022

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Overdrachtsfunctie

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 17)/(s² + 4s + 5)

Partieelbreuken

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1²
G(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (9/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Impulsresponsie

g(t) = e−2t·(4·cos 1t + 9·sin 1t)
g(0,75) = 2,022

Antwoord

g(0,75) = 2,022
5.Stapresponsie

Antwoord: ts = 4 s

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Vergelijk met de standaardvorm

De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,583) = 0,2182

Resultaat

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Antwoord

ts = 4 s
6.Stapresponsie

Antwoord: ts = 0,6667 s

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = 145/(s² + 12s + 145): ωₙ = 12,04 rad/s, ζ = 0,4983

Insteltijd

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Antwoord

ts = 0,6667 s

Voor deze lus is ζωₙ = a/2 welke K ook is: een hogere K geeft meer overshoot maar verkort de insteltijd niet.

7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = −11,47 dB

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Vermenigvuldig de groottes

|G(j10)| = 60/(√(10² + 1²)·√(10² + 20²)) = 60/(10,05·22,36) = 0,267

Resultaat

20·log₁₀(0,267) = −11,47 dB

Antwoord

|G(jω)| = −11,47 dB
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 190,6

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Faseomslag

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Vereiste versterking

240/K = 102/20 = 1,259
K = 240/1,259 = 190,6

Antwoord

K = 190,6

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