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)t1h(t)t1

Wejście x(t) = 1·e−6tu(t) podano na układ o h(t) = e−4tu(t). Wyznacz wyjście y(1,5) w t = 1,5 s.

x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)0,8485

Ciąg impulsów ma wysokość 5, szerokość impulsu 0,8 ms i okres 4 ms. Wyznacz amplitudę c3 harmonicznej numer 3, przy 750 Hz.

A = 5τ = 0,8 msT = 4 ms
c3 =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−55

Znajdź f(t) dla F(s) = (4s + 22)/(s² + 4s + 40) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,8).

F(s) = (4s + 22)/(s² + 4s + 40)t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
ReIm2

Układ opisuje równanie różniczkowe y″ + 2y′ + 10y = 2u′ + 3u, z wejściem u(t) i wyjściem y(t). Znajdź jego transmitancję G(s) = Y(s)/U(s) (zerowe warunki początkowe) i oblicz odpowiedź impulsową g(t) dla t = 1,2 s. Znajdź g(1,2).

y″ + 2y′ + 10y = 2u′ + 3ut = 1,2 s
g(1.2) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)0,5

Układ ma transmitancję G(s) = 12,5/(s² + 7s + 25) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Bieguny to s = σ ± jωd. Znajdź część rzeczywistą σ.

G(s) = 12,5/(s² + 7s + 25)
σ =
6.Odpowiedź skokowaTrudny
R(s)+270s(s + 5)G(s)C(s)−

Pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego ma G(s) = 270/(s(s + 5)). Znajdź 2-procentowy czas ustalania ts odpowiedzi skokowej układu zamkniętego, korzystając z ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 270/(s(s + 5))
ts = s
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​R = 1000 ΩL = 100 mHvout​

Filtr górnoprzepustowy RL pokazany na rysunku ma R = 1000 Ω, L = 100 mH. Podano sinusoidalne wejście 3,2 kHz. Znajdź wzmocnienie |H| = |vout/vin| w dB.

R = 1000 ΩL = 100 mHf = 3,2 kHz
|H| = dB
8.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5)). Znajdź wzmocnienie K, które daje zapas wzmocnienia 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))GM = 8 dB
K =

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(1.5) = 0,001178

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).

Całka splotu

y(t) = 1e−4t∫₀ᵗ e−(6 − 4)τ dτ = 1(e−4t − e−6t)/(2)

Oblicz

y(1,5) = 1·(0,002479 − 0,0001234)/(2) = 0,001178

Odpowiedź

y(1,5) = 0,001178
2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c3 = 1,009

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)|.

Współczynnik wypełnienia

D = 0,8/4 = 0,2

Amplituda harmonicznej

c3 = (2·5/(3π))·|sin(3π·0,2)| = 1,009

Odpowiedź

c3 = 1,009
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.8) = −0,3986

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).

Dopełnienie do kwadratu

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Dopasuj licznik

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (14/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−2t·(4·cos 6t + 2,333·sin 6t)
f(0,8) = e−2·0,8·(4·cos(6·0,8) + 2,333·sin(6·0,8)) = −0,3986

Odpowiedź

f(0,8) = −0,3986
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: g(1.2) = −0,5846

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).

Transmitancja

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 3)/(s² + 2s + 10)

Ułamki proste

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

Odpowiedź impulsowa

g(t) = e−t·(2·cos 3t + 0,3333·sin 3t)
g(1,2) = −0,5846

Odpowiedź

g(1,2) = −0,5846
5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: σ = −3,5

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 = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5) = 0,7

Wynik

σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5

Odpowiedź

σ = −3,5
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: ts = 1,6 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).

Transmitancja układu zamkniętego

T(s) = 270/(s² + 5s + 270): ωₙ = 16,43 rad/s, ζ = 0,1521

Czas ustalania

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Odpowiedź

ts = 1,6 s

Dla tej pętli ζωₙ = a/2 niezależnie od K: zwiększenie K zwiększa przeregulowanie, ale nie skraca czasu ustalania.

7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: |H| = −0,9599 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 = R/L = 1000/0,1 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 3200/1592 = 2,011

Wzmocnienie

|H| = 2,011/√(1 + 2,011²) = 0,8954
20·log₁₀(0,8954) = −0,9599 dB

Odpowiedź

|H| = −0,9599 dB
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: K = 47,77

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 fazy

(ω/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Wymagane wzmocnienie

120/K = 108/20 = 2,512
K = 120/2,512 = 47,77

Odpowiedź

K = 47,77

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