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
Naszkicuj oba sygnały i zaznacz, gdzie każdy z nich jest niezerowy.
Odwróć h i przesuwaj je: dla każdej chwili wyjścia znajdź zakres, w którym oba sygnały się nakładają.
Mnóż i dodawaj (dyskretnie) lub mnóż i całkuj (ciągle) tylko po tym nakładaniu.
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
Układ ma odpowiedź impulsową h(t) = e−0,5tu(t). Wejściem jest skok x(t) = 4·u(t). Wyznacz wyjście y(12) w t = 12 s.
h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 12 s
y(12) =
2.Splot i układy liniowe stacjonarneTrudny
Wejście x(t) = 5·cos(30t) podano na układ o h(t) = 10·e−10tu(t). Wyznacz amplitudę Ym wyjścia w stanie ustalonym.
h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 5cos(30t)
Ym =
3.Transformaty Laplace’aŚredni
F(s) = (2s + 23)/(s² + 8s + 7). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−t + B·e−7t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.
F(s) = (2s + 23)/(s² + 8s + 7)
A =
4.Transformaty Laplace’aTrudny
Rozwiąż y″ + 7y′ + 10y = 0 dla y(0) = 5 i y′(0) = −9 za pomocą transformaty Laplace’a i znajdź y(0,4).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 5y′(0) = −9t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Odpowiedź skokowaŚredni
Układ ma transmitancję G(s) = 14/(s² + 2s + 14) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Znajdź przeregulowanie procentowe %OS odpowiedzi skokowej.
G(s) = 14/(s² + 2s + 14)
%OS = %
6.Odpowiedź skokowaTrudny
Masa m = 4 kg wisi na sprężynie k = 100 N/m z tłumikiem lepkim c = 6 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). W spoczynku w położeniu równowagi nagle przyłożono stałą siłę F = 5 N. Znajdź największe wychylenie xmax w mm.
m = 4 kgk = 100 N/mc = 6 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
7.Wykresy Bodego i zapasyŚredni
Znajdź dokładny moduł |G(jω)| G(s) = 3179/((s + 11)(s + 17)) przy ω = 15 rad/s, w dB.
G(s) = 3179/((s + 11)(s + 17))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Wykresy Bodego i zapasyTrudny
Pętla ze sprzężeniem jednostkowym ma transmitancję układu otwartego L(s) = 20/(s(s + 4)). Znajdź zapas fazy PM w stopniach.
L(s) = 20/(s(s + 4))
PM = °
3Roztwory
1.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: y(12) = 7,98
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).
Splot ze skokiem
y(t) = 4·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)
Oblicz
y(12) = 8·(1 − e−6) = 7,98
Odpowiedź
y(12) = 7,98
2.Splot i układy liniowe stacjonarne
Odpowiedź: Ym = 1,581
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/(10 + jω)
Wzmocnienie przy częstotliwości wejścia
|H(j30)| = 10/√(10² + 30²) = 0,3162
Ym = 5·0,3162 = 1,581
Odpowiedź
Ym = 1,581
3.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: A = 3,5
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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)
Metoda zakrywania
Pomnóż przez (s + 1) i podstaw s = −1: składnik z B znika.
A = (2s + 23)/(s + 7) |s = −1 = 21/6 = 3,5
Odpowiedź
A = 3,5
(B = −1,5, więc f(t) = 3,5·e−t − 1,5·e−7t)
4.Transformaty Laplace’a
Odpowiedź: y(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).
Przekształcenie równania
s²Y − 5s − (−9) + 7(sY − 5) + 10Y = 0
Y(s) = (5s + 26)/((s + 2)(s + 5))
Ułamki proste
A = 16/3 = 5,333
B = 1/(−3) = −0,3333
Wynik
y(t) = 5,333·e−2t − 0,3333·e−5t
y(0,4) = 2,351
Odpowiedź
y(0,4) = 2,351
Sprawdzenie: y(0) = A + B = 5.
5.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: %OS = 41,84 %
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 = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,742) = 0,2673
Wynik
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8713 = 41,84 %
Odpowiedź
%OS = 41,84 %
6.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: xmax = 81,04 mm
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) = √(100/4) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(100·4)) = 0,15
Wynik
xst = F/k = 5/100 m = 50 mm
%OS = 62,09 %
xmax = 50·(1 + 0,6209) = 81,04 mm
Odpowiedź
xmax = 81,04 mm
7.Wykresy Bodego i zapasy
Odpowiedź: |G(jω)| = 17,55 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.
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.