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)t13h(t)t21

Impuls x(t) = 3 dla 0 ≤ t < 1 s (poza tym zero) podano na układ o odpowiedzi impulsowej h(t) = 1 dla 0 ≤ t < 2 s (poza tym zero). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 2 st = 2 s
y(2) =
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
2cos(30t)h(t) = 5e−20t​u(t)y(t)

Wejście x(t) = 2·cos(30t) podano na układ o h(t) = 5·e−20tu(t). Wyznacz amplitudę Ym wyjścia w stanie ustalonym.

h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 2cos(30t)
Ym =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (4s + 9)/(s² + 6s + 5). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−t + B·e−5t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (4s + 9)/(s² + 6s + 5)
A =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t). Startuje ze stanu spoczynku (y(0) = 0, y′(0) = 0), a wejściem jest skok u(t) = 10 dla t ≥ 0. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź wyjście y(1,2).

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)1

Układ ma transmitancję G(s) = 74/(s² + 5s + 74) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Bieguny to s = σ ± jωd. Znajdź część rzeczywistą σ.

G(s) = 74/(s² + 5s + 74)
σ =
6.Odpowiedź skokowaTrudny
k = 500 N/mc = 11 N·s/mm = 2,5 kgF = 100 Nx(t)

Masa m = 2,5 kg wisi na sprężynie k = 500 N/m z tłumikiem lepkim c = 11 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). W spoczynku w położeniu równowagi nagle przyłożono stałą siłę F = 100 N. Znajdź przeregulowanie procentowe %OS wychylenia.

m = 2,5 kgk = 500 N/mc = 11 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

Znajdź dokładny moduł |G(jω)| G(s) = 1008/((s + 4)(s + 14)) przy ω = 5 rad/s, w dB.

G(s) = 1008/((s + 4)(s + 14))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = 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 + 1)(s + 7)). Znajdź wzmocnienie K, które daje zapas wzmocnienia 5 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 5 dB
K =

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 3

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).

Nakładanie odwróconego impulsu

h(t − τ) to impuls h odwrócony i przesunięty tak, że kończy się w τ = t.

τ ∈ [0, 1] → długość 1 s

Całka

y(2) = 3·1·1 = 3

Odpowiedź

y(2) = 3

y(t) jest trapezem: rośnie od 0, utrzymuje się na 3 i spada z powrotem do 0 w t = 3 s.

2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ym = 0,2774

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)|.

Charakterystyka częstotliwościowa

H(jω) = 5/(20 + jω)

Wzmocnienie przy częstotliwości wejścia

|H(j30)| = 5/√(20² + 30²) = 0,1387
Ym = 2·0,1387 = 0,2774

Odpowiedź

Ym = 0,2774
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 1,25

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 + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 1) i podstaw s = −1: składnik z B znika.

A = (4s + 9)/(s + 5) |s = −1 = 5/4 = 1,25

Odpowiedź

A = 1,25
(B = 2,75, więc f(t) = 1,25·e−t + 2,75·e−5t)
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(1.2) = 16,86

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

Y(s) = 90/(s(s + 1)(s + 3))

Ułamki proste

A = 90/(1·3) = 30
B = 90/((−1)·2) = −45
C = 90/((−3)·(−2)) = 15

Wydalone

y(t) = 30 − 45·e−t + 15·e−3t
y(1,2) = 16,86

Odpowiedź

y(1,2) = 16,86
5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: σ = −2,5

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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,602) = 0,2906

Wynik

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Odpowiedź

σ = −2,5
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: %OS = 60,97 %

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 = √(k/m) = √(500/2,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 11/(2·√(500·2,5)) = 0,1556

Wynik

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 60,97 %

Odpowiedź

%OS = 60,97 %
7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: |G(jω)| = 20,5 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.

Pomnóż moduły

|G(j5)| = 1008/(√(5² + 4²)·√(5² + 14²)) = 1008/(6,403·14,87) = 10,59

Wynik

20·log₁₀(10,59) = 20,5 dB

Odpowiedź

|G(jω)| = 20,5 dB
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: K = 31,49

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 fazy

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Wymagane wzmocnienie

56/K = 105/20 = 1,778
K = 56/1,778 = 31,49

Odpowiedź

K = 31,49

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