Sygnały i układy: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Splot i układy liniowe stacjonarne

Splot dyskretny
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Splot ciągły
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Długość i suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Początek, koniec i pole
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Skok na wejściu e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Układ pierwszego rzędu
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekurencja pierwszego rzędu
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoida przechodząca przez h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudy szeregu Fouriera
prostokątna ±A: 4A/(kπ), k nieparzyste; trójkątna ±A: 8A/(π²k²), k nieparzyste; ciąg impulsów: A·D oraz (2A/(kπ))|sin kπD|

Metoda

  1. Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
  2. Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
  3. Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
  4. Sprawdź wynik: wyjście zaczyna się w sumie czasów początkowych, kończy w sumie czasów końcowych, a jego pole lub suma jest iloczynem pól lub sum wejść.

2Zadania do ćwiczenia

1.Splot i układy liniowe stacjonarneŚredni
x(t)t23h(t)t−13

Sygnał x(t) jest niezerowy tylko między t = 2 s a t = 3 s, a h(t) tylko między t = −1 s a t = 3 s. Wyznacz czas tend, w którym kończy się y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 3 sh: −1 … 3 s
tend = s
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
δ[n]3+h[n]−0,5·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wyznacz próbkę h[3] jego odpowiedzi impulsowej.

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 1) i oblicz f(0,3).

F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 1)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t), przy y(0) = 5 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 1. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,8).

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)3

Układ ma transmitancję G(s) = 228/(s² + 11s + 76) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Bieguny to s = σ ± jωd. Znajdź część rzeczywistą σ.

G(s) = 228/(s² + 11s + 76)
σ =
6.Odpowiedź skokowaTrudny
+−24 VR = 57 ΩL = 500 mHC = 100 µFvC​

Szeregowy obwód RLC z R = 57 Ω, L = 500 mH i C = 100 µF jest dołączony do skoku 24 V w chwili t = 0. Kondensator jest nienaładowany i przed skokiem nie płynie prąd. Znajdź szczytowe napięcie na kondensatorze vC,max.

R = 57 ΩL = 500 mHC = 100 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​R = 4,7 kΩC = 22 nFvout​

Filtr dolnoprzepustowy RC pokazany na rysunku ma R = 4,7 kΩ, C = 22 nF. Podano sinusoidalne wejście 7,7 kHz. Znajdź wzmocnienie |H| = |vout/vin| w dB.

R = 4,7 kΩC = 22 nFf = 7,7 kHz
|H| = dB
8.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 72/(s(s + 4)). Znajdź zapas fazy PM w stopniach.

L(s) = 72/(s(s + 4))
PM = °

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: tend = 6 s

Splot ciągły: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Odwróć h, przesuń do położenia t i całkuj iloczyn nakładających się części. Dla sygnałów przyczynowych całka biegnie od 0 do t. Przydatne wyniki: pole pod y jest iloczynem pola pod x i pola pod h; jeśli x trwa od t₁ do t₂, a h od t₃ do t₄, to y trwa od t₁ + t₃ do t₂ + t₄. Dla h(t) = e−atu(t) i skoku o wysokości A mamy y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Początek i koniec

tstart = 2 + (−1) = 1 s
tend = 3 + 3 = 6 s

Odpowiedź

tend = 6 s

Odpowiedź

tend = 6 s
2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: h[3] = −0,375

Odpowiedź impulsowa i szereg Fouriera: odpowiedź impulsowa h(t) w pełni opisuje układ liniowy stacjonarny: dla y′ + a·y = b·x jest to h(t) = b·e−atu(t), a dla y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] jest to h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoida cos ωt przechodzi ze wzmocnieniem |H(jω)| i fazą ∠H(jω), gdzie H jest transformatą Fouriera h. Sygnał okresowy jest sumą harmonicznych przy k/T: fala prostokątna ±A ma tylko harmoniczne nieparzyste o amplitudach 4A/(kπ), fala trójkątna o szczycie A ma 8A/(π²k²), a ciąg impulsów o wysokości A i współczynniku wypełnienia D ma wartość średnią A·D i harmoniczne (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Iteruj

h[0] = 3
h[1] = −1,5
h[2] = 0,75
h[3] = −0,375

Wynik

h[3] = 3·(−0,5)3 = −0,375

Odpowiedź

h[3] = −0,375
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.3) = 3,111

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Rozłóż mianownik na czynniki

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

Ułamki proste

3s + 7 = 3(s + 1) + 4
F(s) = 3/(s + 1) + 4/(s + 1)²

Transformata odwrotna

f(t) = 3·e−t + 4·t·e−t
f(0,3) = (3 + 4·0,3)·e−0,3 = 3,111

Odpowiedź

f(0,3) = 3,111
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.8) = 3,787

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Przekształcenie równania

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 5s + 15 + 2/s
Y(s) = (5s² + 15s + 2)/(s(s + 1)(s + 2))

Ułamki proste

A = 2/(1·2) = 1
B = −8/((−1)·1) = 8
C = −8/((−2)·(−1)) = −4

Wynik

y(t) = 1 + 8·e−t − 4·e−2t
y(0,8) = 3,787

Odpowiedź

y(0,8) = 3,787

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 5.

5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: σ = −5,5

Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).

Porównaj z postacią standardową

Mianownik musi odpowiadać s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 76 → ωₙ = 8,718 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,718) = 0,6309

Wynik

σ = −ζωₙ = −11/2 = −5,5

Odpowiedź

σ = −5,5
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: vC,max = 30,02 V

Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).

Pulsacja własna i współczynnik tłumienia

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·1 × 10⁻⁴) = 141,4 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,5) = 0,4031

Wynik

%OS = 25,07 %
vC,max = 24·(1 + 0,2507) = 30,02 V

Odpowiedź

vC,max = 30,02 V
7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: |H| = −14,15 dB

Charakterystyka częstotliwościowa: podstaw s = jω w transmitancji. Moduł w decybelach to 20·log₁₀|H(jω)|, a faza to suma kątów czynników licznika minus kąty czynników mianownika. Filtr RC lub RL pierwszego rzędu ma częstotliwość graniczną (−3 dB) ωc = 1/(RC) lub R/L oraz fc = ωc/(2π); filtr dolnoprzepustowy daje |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) i φ = −atan(ω/ωc). Na asymptotycznym (łamanym) wykresie Bodego każdy biegun zagina moduł w dół o 20 dB/dekadę przy swojej częstotliwości granicznej, każde zero zagina go w górę o 20 dB/dekadę, a integrator 1/s daje −20 dB/dekadę przy wszystkich częstotliwościach. Częstotliwość odcięcia wzmocnienia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); zapas fazy PM = 180° + ∠L(jωc). Częstotliwość odcięcia fazy ω180: ∠L(jω) = −180°; zapas wzmocnienia GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Układ zamknięty jest stabilny, gdy oba zapasy są dodatnie.

Częstotliwość graniczna

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 7700/1539 = 5,003

Wzmocnienie

|H| = 1/√(1 + 5,003²) = 0,196
20·log₁₀(0,196) = −14,15 dB

Odpowiedź

|H| = −14,15 dB
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: PM = 26,49 °

Charakterystyka częstotliwościowa: podstaw s = jω w transmitancji. Moduł w decybelach to 20·log₁₀|H(jω)|, a faza to suma kątów czynników licznika minus kąty czynników mianownika. Filtr RC lub RL pierwszego rzędu ma częstotliwość graniczną (−3 dB) ωc = 1/(RC) lub R/L oraz fc = ωc/(2π); filtr dolnoprzepustowy daje |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) i φ = −atan(ω/ωc). Na asymptotycznym (łamanym) wykresie Bodego każdy biegun zagina moduł w dół o 20 dB/dekadę przy swojej częstotliwości granicznej, każde zero zagina go w górę o 20 dB/dekadę, a integrator 1/s daje −20 dB/dekadę przy wszystkich częstotliwościach. Częstotliwość odcięcia wzmocnienia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); zapas fazy PM = 180° + ∠L(jωc). Częstotliwość odcięcia fazy ω180: ∠L(jω) = −180°; zapas wzmocnienia GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Układ zamknięty jest stabilny, gdy oba zapasy są dodatnie.

Częstotliwość odcięcia wzmocnienia

ω⁴ + 16ω² − 5184 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·5184))/2 = 64,44
ωc = 8,028 rad/s

Zapas fazy

∠L(jωc) = −90° − atan(8,028/4) = −153,5°
PM = 180° + ∠L = 26,49°

Odpowiedź

PM = 26,49°

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