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)t1h(t)t1

De ingang x(t) = 1·e−2tu(t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = e−0,5tu(t). Bepaal de uitgang y(0,5) bij t = 0,5 s.

x(t) = 1·e−2tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
5cos(5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

De ingang x(t) = 5·cos(5t) wordt aangelegd op een systeem met h(t) = 5·e−5tu(t). Bepaal de fase φ van de stationaire uitgang ten opzichte van de ingang, in graden.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 5cos(5t)
φ = °
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 33)/(s² + 10s + 16). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−2t + B·e−8t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (5s + 33)/(s² + 10s + 16)
A =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Een systeem voldoet aan y″ + 6y′ + 5y = 2,5·u(t). Het begint in rust (y(0) = 0, y′(0) = 0) en de ingang is een stap u(t) = 2 voor t ≥ 0. Gebruik de Laplacetransformatie om de uitgang y(1) te bepalen.

y″ + 6y′ + 5y = 2,5·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1 s
y(1) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1tp​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 96/(s² + 3s + 96) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 96/(s² + 3s + 96)
tp = s
6.StapresponsieMoeilijk
k = 5000 N/mc = 30 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 Nx(t)

Een massa m = 0,5 kg hangt aan een veer k = 5000 N/m met een viskeuze demper c = 30 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 25 N aangelegd. Vind de dempingsverhouding ζ.

m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 30 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 108/((s + 6)(s + 9)) bij ω = 30 rad/s, in dB.

G(s) = 108/((s + 6)(s + 9))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 1800/(s(s + 20)). Bepaal de fasemarge PM in graden.

L(s) = 1800/(s(s + 20))
PM = °

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y(0.5) = 0,2739

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

Bereken

y(0,5) = 1·(0,7788 − 0,3679)/(1,5) = 0,2739

Antwoord

y(0,5) = 0,2739
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: φ = −45 °

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) = 5/(5 + jω)

Fase bij de ingangsfrequentie

φ = −atan(5/5) = −45°

Antwoord

φ = −45°
3.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 3,833

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 + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 2) en vul s = −2 in: de B-term valt weg.

A = (5s + 33)/(s + 8) |s = −2 = 23/6 = 3,833

Antwoord

A = 3,833
(B = 1,167, dus f(t) = 3,833·e−2t + 1,167·e−8t)
4.Laplacetransformaties

Antwoord: y(1) = 0,5418

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).

Transformeer de vergelijking

Y(s) = 5/(s(s + 1)(s + 5))

Partieelbreuken

A = 5/(1·5) = 1
B = 5/((−1)·4) = −1,25
C = 5/((−5)·(−4)) = 0,25

Output

y(t) = 1 − 1,25·e−t + 0,25·e−5t
y(1) = 0,5418

Antwoord

y(1) = 0,5418
5.Stapresponsie

Antwoord: tp = 0,3245 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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,798) = 0,1531

Resultaat

ωd = 9,798·√(1 − 0,1531²) = 9,682 rad/s → tp = π/ωd = 0,3245 s

Antwoord

tp = 0,3245 s
6.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,3

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).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = √(k/m) = √(5000/0,5) = 100 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 30/(2·√(5000·0,5)) = 0,3

Resultaat

ζ = 0,3

Antwoord

ζ = 0,3
7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = −18,96 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(j30)| = 108/(√(30² + 6²)·√(30² + 9²)) = 108/(30,59·31,32) = 0,1127

Resultaat

20·log₁₀(0,1127) = −18,96 dB

Antwoord

|G(jω)| = −18,96 dB
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: PM = 26,49 °

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.

Versterkingsdoorsnijding

ω⁴ + 400ω² − 3,24 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·3,24 × 10⁶))/2 = 1611
ωc = 40,14 rad/s

Fasemarge

∠L(jωc) = −90° − atan(40,14/20) = −153,5°
PM = 180° + ∠L = 26,49°

Antwoord

PM = 26,49°

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