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)t32h(t)t13

Impuls x(t) = 2 dla 0 ≤ t < 3 s jest splatany z impulsem h(t) = 3 dla 0 ≤ t < 1 s. Wyznacz pole Ay pod y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
u[n]4+y[n]0,5·z⁻¹+

Układ spełnia równanie y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] i startuje ze stanu spoczynku. Wejściem jest skok jednostkowy x[n] = u[n]. Wyznacz y[4].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 5)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,4).

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Rozwiąż y″ + 4y′ + 3y = 0 dla y(0) = −3 i y′(0) = −10 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −3y′(0) = −10t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)1

Układ ma transmitancję G(s) = 5/(s² + 2s + 5) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Znajdź pulsację własną ωn w rad/s.

G(s) = 5/(s² + 2s + 5)
ωn = rad/s
6.Odpowiedź skokowaTrudny
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego ma G(s) = K/(s(s + 6)). Znajdź wzmocnienie K, które daje odpowiedź skokową z przeregulowaniem 15 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 15 %
K =
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

Znajdź fazę ∠G(jω) G(s) = 7(s + 17)/(s(s + 15)) przy ω = 20 rad/s, w stopniach.

G(s) = 7(s + 17)/(s(s + 15))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
8.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 700/(s(s + 10)). Znajdź zapas fazy PM w stopniach.

L(s) = 700/(s(s + 10))
PM = °

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ay = 18

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).

Pola wejść

∫x dt = 2·3 = 6
∫h dt = 3·1 = 3

Pole wyjścia

Ay = 6·3 = 18

Odpowiedź

Ay = 18
2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y[4] = 7,75

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

y[0] = 4
y[1] = 6
y[2] = 7
y[3] = 7,5
y[4] = 7,75

Wynik

y[4] = 4·(1 − (0,5)5)/(1 − 0,5) = 7,75

Odpowiedź

y[4] = 7,75
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.4) = 2,351

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).

Ułamki proste

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 60/(1·5) = 12
B = 60/((−1)·4) = −15
C = 60/((−5)·(−4)) = 3

Transformata odwrotna

f(t) = 12 − 15·e−t + 3·e−5t

Oblicz

f(0,4) = 12 − 15·e−0,4 + 3·e−5·0,4 = 2,351

Odpowiedź

f(0,4) = 2,351
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.75) = −3,802

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

s²Y − (−3)s − (−10) + 4(sY − (−3)) + 3Y = 0
Y(s) = (−3s − 22)/((s + 1)(s + 3))

Ułamki proste

A = −19/2 = −9,5
B = −13/(−2) = 6,5

Wynik

y(t) = −9,5·e−t + 6,5·e−3t
y(0,75) = −3,802

Odpowiedź

y(0,75) = −3,802

Sprawdzenie: y(0) = A + B = −3.

5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: ωn = 2,236 rad/s

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 = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2,236) = 0,4472

Wynik

ωₙ = 2,236 rad/s

Odpowiedź

ωn = 2,236 rad/s
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: K = 33,68

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).

Transmitancja układu zamkniętego

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Współczynnik tłumienia z przeregulowania

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Wzmocnienie

ωₙ = 6/(2ζ) = 5,803 rad/s
K = ωₙ² = 33,68

Odpowiedź

K = 33,68
7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: ∠G(jω) = −93,49 °

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.

Dodaj kąty

∠G = atan(20/17) − 90° − atan(20/15) = 49,64° − 90° − 53,13°

Wynik

∠G(j20) = −93,49°

Odpowiedź

∠G(jω) = −93,49°
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: PM = 21,39 °

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 + 100ω² − 490000 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·490000))/2 = 651,8
ωc = 25,53 rad/s

Zapas fazy

∠L(jωc) = −90° − atan(25,53/10) = −158,6°
PM = 180° + ∠L = 21,39°

Odpowiedź

PM = 21,39°

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