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)t11h(t)t1

Impuls x(t) = 1 dla 0 ≤ t < 1 s (poza tym zero) podano na układ o h(t) = e−1tu(t). Wyznacz wyjście y(2) w t = 2 s, po zakończeniu impulsu.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−1tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
5cos(30t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

Wejście x(t) = 5·cos(30t) podano na układ o h(t) = 10·e−20tu(t). Wyznacz amplitudę Ym wyjścia w stanie ustalonym.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(30t)
Ym =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (4s + 40)/(s² + 13s + 42). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (4s + 40)/(s² + 13s + 42)
A =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 12y = 0 dla y(0) = 10 i y′(0) = 15 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 10y′(0) = 15t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)3tp​ = ?

Układ ma transmitancję G(s) = 144/(s² + 2s + 48) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Znajdź czas szczytu tp odpowiedzi skokowej.

G(s) = 144/(s² + 2s + 48)
tp = s
6.Odpowiedź skokowaTrudny
t (s)y(t)110 %

Układ drugiego rzędu bez zer ma mieć odpowiedź skokową z przeregulowaniem 10 %. Znajdź współczynnik tłumienia ζ.

%OS = 10 %
ζ =
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​C = 22 nFR = 47 kΩvout​

Filtr górnoprzepustowy RC pokazany na rysunku ma R = 47 kΩ, C = 22 nF. Podano sinusoidalne wejście 460 Hz. Znajdź przesunięcie fazowe φ vout względem vin, w stopniach.

R = 47 kΩC = 22 nFf = 460 Hz
φ = °
8.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 190/(s(s + 20)). Znajdź zapas fazy PM w stopniach.

L(s) = 190/(s(s + 20))
PM = °

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: y(2) = 0,2325

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).

Wyjście na końcu impulsu

y(1) = (1/1)(1 − e−1) = 0,6321

Zanik po impulsie

y(2) = 0,6321·e−1·1 = 0,2325

Odpowiedź

y(2) = 0,2325
2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: Ym = 1,387

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) = 10/(20 + jω)

Wzmocnienie przy częstotliwości wejścia

|H(j30)| = 10/√(20² + 30²) = 0,2774
Ym = 5·0,2774 = 1,387

Odpowiedź

Ym = 1,387
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: A = 16

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 + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 6) i podstaw s = −6: składnik z B znika.

A = (4s + 40)/(s + 7) |s = −6 = 16/1 = 16

Odpowiedź

A = 16
(B = −12, więc f(t) = 16·e−6t − 12·e−7t)
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.25) = 9,426

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 − 10s − 15 + 7(sY − 10) + 12Y = 0
Y(s) = (10s + 85)/((s + 3)(s + 4))

Ułamki proste

A = 55/1 = 55
B = 45/(−1) = −45

Wynik

y(t) = 55·e−3t − 45·e−4t
y(0,25) = 9,426

Odpowiedź

y(0,25) = 9,426

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

5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: tp = 0,4582 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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,928) = 0,1443

Wynik

ωd = 6,928·√(1 − 0,1443²) = 6,856 rad/s → tp = π/ωd = 0,4582 s

Odpowiedź

tp = 0,4582 s
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: ζ = 0,5912

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).

Współczynnik tłumienia

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 2,303/√(9,87 + 5,302) = 0,5912

Odpowiedź

ζ = 0,5912
7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: φ = 18,5 °

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/(47000·2,2 × 10⁻⁸) = 967,1 rad/s
fc = 153,9 Hz → f/fc = 460/153,9 = 2,989

Faza

φ = 90° − atan(2,989) = 18,5°

Odpowiedź

φ = 18,5°
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: PM = 66,47 °

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 + 400ω² − 36100 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·36100))/2 = 75,86
ωc = 8,71 rad/s

Zapas fazy

∠L(jωc) = −90° − atan(8,71/20) = −113,5°
PM = 180° + ∠L = 66,47°

Odpowiedź

PM = 66,47°

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