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)t23

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

x: 1 … 3 sh: 2 … 3 s
tstart = s
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
x(t)t (ms)820404

Ciąg impulsów ma wysokość 4, szerokość impulsu 8 ms i okres 20 ms. Wyznacz amplitudę c2 harmonicznej numer 2, przy 100 Hz.

A = 4τ = 8 msT = 20 ms
c2 =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
ReIm−55

Znajdź f(t) dla F(s) = (4s + 25)/(s² + 6s + 45) metodą dopełnienia do kwadratu i oblicz f(0,6).

F(s) = (4s + 25)/(s² + 6s + 45)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Rozwiąż y″ + 7y′ + 6y = 0 dla y(0) = −3 i y′(0) = 1 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,8).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = −3y′(0) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)2?

Układ ma transmitancję G(s) = 8/(s² + 3s + 4) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Znajdź przeregulowanie procentowe %OS odpowiedzi skokowej.

G(s) = 8/(s² + 3s + 4)
%OS = %
6.Odpowiedź skokowaTrudny
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego ma G(s) = K/(s(s + 16)). Znajdź wzmocnienie K, które daje odpowiedź skokową z przeregulowaniem 5 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 5 %
K =
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
vin​L = 20 mHC = 0,47 µFR = 20 Ωvout​

W pokazanym szeregowym filtrze środkowoprzepustowym RLC wyjście jest brane na R = 20 Ω, przy L = 20 mH i C = 0,47 µF. Znajdź szerokość pasma −3 dB BW w Hz.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF
BW = Hz
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 + 5)(s + 8)). Znajdź wzmocnienie K, które daje zapas wzmocnienia 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 12 dB
K =

3Roztwory

1.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: tstart = 3 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 = 1 + 2 = 3 s
tend = 3 + 3 = 6 s

Odpowiedź

tstart = 3 s

Odpowiedź

tstart = 3 s
2.Splot i układy liniowe stacjonarne

Odpowiedź: c2 = 0,7484

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 = 8/20 = 0,4

Amplituda harmonicznej

c2 = (2·4/(2π))·|sin(2π·0,4)| = 0,7484

Odpowiedź

c2 = 0,7484
3.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.6) = −0,7514

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 + 6s + 45 = (s + 3)² + 36 = (s + 3)² + 6²

Dopasuj licznik

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 6²) + (13/6)·6/((s + 3)² + 6²)

Transformata odwrotna

f(t) = e−3t·(4·cos 6t + 2,167·sin 6t)
f(0,6) = e−3·0,6·(4·cos(6·0,6) + 2,167·sin(6·0,6)) = −0,7514

Odpowiedź

f(0,6) = −0,7514
4.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.8) = −1,524

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 − 1 + 7(sY − (−3)) + 6Y = 0
Y(s) = (−3s − 20)/((s + 1)(s + 6))

Ułamki proste

A = −17/5 = −3,4
B = −2/(−5) = 0,4

Wynik

y(t) = −3,4·e−t + 0,4·e−6t
y(0,8) = −1,524

Odpowiedź

y(0,8) = −1,524

Sprawdzenie: y(0) = A + B = −3.

5.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: %OS = 2,838 %

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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75

Wynik

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,562 = 2,838 %

Odpowiedź

%OS = 2,838 %
6.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: K = 134,4

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 + 16s + K)

Współczynnik tłumienia z przeregulowania

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Wzmocnienie

ωₙ = 16/(2ζ) = 11,59 rad/s
K = ωₙ² = 134,4

Odpowiedź

K = 134,4
7.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: BW = 159,2 Hz

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 rezonansowa

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁷) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Pasmo przenoszenia

BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Odpowiedź

BW = 159,2 Hz
8.Wykresy Bodego i zapasy

Odpowiedź: K = 130,6

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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6,325 rad/s

Moduł przy częstotliwości odcięcia fazy

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Wymagane wzmocnienie

520/K = 1012/20 = 3,981
K = 520/3,981 = 130,6

Odpowiedź

K = 130,6

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