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)t4h(t)t1

De ingang x(t) = 4·e−1tu(t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−5tu(t). Bepaal de uitgang y(1,5) bij t = 1,5 s.

x(t) = 4·e−1tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
x(t)t (ms)0,42410

Een pulstrein heeft hoogte 10, pulsbreedte 0,4 ms en periode 2 ms. Bepaal de amplitude c1 van harmonische nummer 1, bij 500 Hz.

A = 10τ = 0,4 msT = 2 ms
c1 =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3)) met partieelbreuken, en bereken f(0,4).

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−22

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 2y′ + 10y = 3u′ + 8u, 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 = 0,4 s. Bepaal g(0,4).

y″ + 2y′ + 10y = 3u′ + 8ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)0,5

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 34,5/(s² + 8s + 69) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de eigenfrequentie ωn in rad/s.

G(s) = 34,5/(s² + 8s + 69)
ωn = rad/s
6.StapresponsieMoeilijk
R(s)+275s(s + 20)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 275/(s(s + 20)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 275/(s(s + 20))
ts = s
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 2 mHC = 4,7 µFR = 1 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 1 Ω, met L = 2 mH en C = 4,7 µF. Bepaal de middenfrequentie (resonantiefrequentie) f0 in Hz.

R = 1 ΩL = 2 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
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) = 386/(s(s + 6)(s + 7)). Bepaal de faseomslagfrequentie ω180, waar ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 386/(s(s + 6)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(1.5) = 0,2226

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).

Convolutie-integraal

y(t) = 4e−5t∫₀ᵗ e−(1 − 5)τ dτ = 4(e−5t − e−1t)/(−4)

Bereken

y(1,5) = 4·(0,0005531 − 0,2231)/(−4) = 0,2226

Antwoord

y(1,5) = 0,2226
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: c1 = 3,742

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)|.

Duty cycle

D = 0,4/2 = 0,2

Harmonischenamplitude

c1 = (2·10/(1π))·|sin(1π·0,2)| = 3,742

Antwoord

c1 = 3,742
3.Laplacetransformaties

Antwoord: f(0.4) = 2,902

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).

Partieelbreuken

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 60/(1·3) = 20
B = 60/((−1)·2) = −30
C = 60/((−3)·(−2)) = 10

Inverse transformatie

f(t) = 20 − 30·e−t + 10·e−3t

Bereken

f(0,4) = 20 − 30·e−0,4 + 10·e−3·0,4 = 2,902

Antwoord

f(0,4) = 2,902
4.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.4) = 1,77

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) = (3s + 8)/(s² + 2s + 10)

Partieelbreuken

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (5/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Impulsresponsie

g(t) = e−t·(3·cos 3t + 1,667·sin 3t)
g(0,4) = 1,77

Antwoord

g(0,4) = 1,77
5.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 8,307 rad/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 = 69 → ωₙ = 8,307 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,307) = 0,4815

Resultaat

ωₙ = 8,307 rad/s

Antwoord

ωn = 8,307 rad/s
6.Stapresponsie

Antwoord: ts = 0,4 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).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = 275/(s² + 20s + 275): ωₙ = 16,58 rad/s, ζ = 0,603

Insteltijd

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

Antwoord

ts = 0,4 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: f0 = 1642 Hz

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.

Resonantiefrequentie

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·4,7 × 10⁻⁶) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Antwoord

f0 = 1642 Hz
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ω180 = 6,481 rad/s

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/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6,481 rad/s

Antwoord

ω180 = 6,481 rad/s

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