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)t25h(t)t23

Het signaal x(t) is alleen niet nul tussen t = 2 s en t = 5 s, en h(t) alleen tussen t = 2 s en t = 3 s. Bepaal de duur D van y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 5 sh: 2 … 3 s
D = s
2.Convolutie en LTI-systemenMoeilijk
u[n]3+y[n]0,8·z⁻¹+

Een systeem voldoet aan y[n] = 0,8·y[n − 1] + 3·x[n] en start in rust. De ingang is de eenheidsstap x[n] = u[n]. Bepaal y[3].

y[n] = 0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.LaplacetransformatiesGemiddeld
t (s)f(t)t = 1,2f(1,2) = ?

Bepaal f(t) voor F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 2)) met partieelbreuken, en bereken f(1,2).

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 2))t = 1,2 s
f(1.2) =
4.LaplacetransformatiesMoeilijk
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Los y″ + 8y′ + 12y = 0 op met y(0) = 10 en y′(0) = −7 met de Laplacetransformatie, en bepaal y(0,3).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 10y′(0) = −7t = 0,3 s
y(0.3) =
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 64/(s² + 4s + 64) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Vind de dempingsverhouding ζ.

G(s) = 64/(s² + 4s + 64)
ζ =
6.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)115 %

Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 15 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.

%OS = 15 %
ζ =
7.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 20 mHC = 0,22 µFR = 20 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 20 Ω, met L = 20 mH en C = 0,22 µF. Bepaal de kwaliteitsfactor Q.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
Q =
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 + 7)(s + 10)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 15 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 10))GM = 15 dB
K =

3Oplossingen

1.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: D = 4 s

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).

Begin en einde

tstart = 2 + 2 = 4 s
tend = 5 + 3 = 8 s

Antwoord

D = 4 s

Antwoord

D = 4 s
2.Convolutie en LTI-systemen

Antwoord: y[3] = 8,856

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)|.

Itereren

y[0] = 3
y[1] = 5,4
y[2] = 7,32
y[3] = 8,856

Resultaat

y[3] = 3·(1 − (0,8)4)/(1 − 0,8) = 8,856

Antwoord

y[3] = 8,856
3.Laplacetransformaties

Antwoord: f(1.2) = 2,442

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 + 2)
A = 10/(1·2) = 5
B = 10/((−1)·1) = −10
C = 10/((−2)·(−1)) = 5

Inverse transformatie

f(t) = 5 − 10·e−t + 5·e−2t

Bereken

f(1,2) = 5 − 10·e−1,2 + 5·e−2·1,2 = 2,442

Antwoord

f(1,2) = 2,442
4.Laplacetransformaties

Antwoord: y(0.3) = 6,735

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

s²Y − 10s − (−7) + 8(sY − 10) + 12Y = 0
Y(s) = (10s + 73)/((s + 2)(s + 6))

Partieelbreuken

A = 53/4 = 13,25
B = 13/(−4) = −3,25

Resultaat

y(t) = 13,25·e−2t − 3,25·e−6t
y(0,3) = 6,735

Antwoord

y(0,3) = 6,735

Controle: y(0) = A + B = 10.

5.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,25

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 = 64 → ωₙ = 8 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8) = 0,25

Resultaat

ζ = 0,25

Antwoord

ζ = 0,25
6.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,5169

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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Antwoord

ζ = 0,5169
7.Bodediagrammen en marges

Antwoord: Q = 15,08

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/√(0,02·2,2 × 10⁻⁷) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz

Kwaliteitsfactor

BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 15076/1000 = 15,08

Antwoord

Q = 15,08
8.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 211,6

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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

Vereiste versterking

1190/K = 1015/20 = 5,623
K = 1190/5,623 = 211,6

Antwoord

K = 211,6

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