Сигналы и системы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Свёртка и линейные стационарные системы

Дискретная свёртка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Непрерывная свёртка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Длина и сумма
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Начало, конец и площадь
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Ступенька на входе системы e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система первого порядка
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсия первого порядка
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоида на входе системы h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплитуды ряда Фурье
меандр ±A: 4A/(kπ), нечётные k; треугольная волна ±A: 8A/(π²k²), нечётные k; последовательность импульсов: A·D и (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Нарисуйте оба сигнала и отметьте, где каждый из них отличен от нуля.
  2. Отразите h и сдвигайте её: для каждого момента выхода найдите диапазон, где оба сигнала перекрываются.
  3. Перемножайте и складывайте (дискретный случай) или перемножайте и интегрируйте (непрерывный случай) только на этом перекрытии.
  4. Проверьте результат: выход начинается в сумме моментов начала, заканчивается в сумме моментов окончания, а его площадь или сумма равна произведению площадей или сумм входов.

2Тренировочные задачи

1.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t13h(t)t01

Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 1 s и t = 3 s, а h(t) — только между t = 0 s и t = 1 s. Найдите момент времени tstart, в который начинается y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 1 … 3 sh: 0 … 1 s
tstart = s
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
δ(t)y′ + 1y = 5xh(t)

Система подчиняется уравнению y′(t) + 1·y(t) = 5·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 1 s, h(1).

y′ + 1y = 5xt = 1 s
h(1) =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (5s + 22)/(s² + 8s + 15). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−3t + B·e−5t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (5s + 22)/(s² + 8s + 15)
A =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Решите y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 5 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,6).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 5t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 87/(s² + 11s + 87) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 87/(s² + 11s + 87)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
k = 1000 N/mc = 40 N·s/mm = 2,5 kgF = 20 Nx(t)

Масса m = 2,5 kg подвешена на пружине k = 1000 N/m с вязким демпфером c = 40 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 20 N. Найдите наибольшее смещение xmax в mm.

m = 2,5 kgk = 1000 N/mc = 40 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 220 ΩL = 4,7 mHvout​

Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 220 Ω, L = 4,7 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 3,7 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 220 ΩL = 4,7 mHf = 3,7 kHz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4))
ω180 = rad/s

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: tstart = 1 s

Непрерывная свёртка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Отразите h, сдвиньте в положение t и проинтегрируйте произведение перекрывающихся частей. Для причинных сигналов интеграл берётся от 0 до t. Полезные факты: площадь y равна площади x, умноженной на площадь h; если x длится от t₁ до t₂, а h — от t₃ до t₄, то y длится от t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) и ступеньки высотой A получаем y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Начало и конец

tstart = 1 + 0 = 1 s
tend = 3 + 1 = 4 s

Ответ

tstart = 1 s

Ответ

tstart = 1 s
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: h(1) = 1,839

Импульсная характеристика и ряд Фурье: импульсная характеристика h(t) полностью описывает линейную стационарную систему: для y′ + a·y = b·x она равна h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоида cos ωt проходит с коэффициентом передачи |H(jω)| и фазой ∠H(jω), где H — преобразование Фурье функции h. Периодический сигнал — это сумма гармоник на частотах k/T: меандр с амплитудой ±A содержит только нечётные гармоники с амплитудами 4A/(kπ), треугольная волна с пиком A — 8A/(π²k²), а последовательность импульсов высотой A и коэффициентом заполнения D имеет среднее значение A·D и гармоники (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Передаточная функция

H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 1)

Импульсная характеристика

h(t) = 5·e−1tu(t)
h(1) = 5·e−1 = 1,839

Ответ

h(1) = 1,839
3.Преобразования Лапласа

Ответ: A = 3,5

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Разложение знаменателя на множители

s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 3) и положите s = −3: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (5s + 22)/(s + 5) |s = −3 = 7/2 = 3,5

Ответ

A = 3,5
(B = 1,5, поэтому f(t) = 3,5·e−3t + 1,5·e−5t)
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.6) = 1,825

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Преобразование уравнения

s²Y − 2s − 5 + 5(sY − 2) + 6Y = 0
Y(s) = (2s + 15)/((s + 2)(s + 3))

Простые дроби

A = 11/1 = 11
B = 9/(−1) = −9

Результат

y(t) = 11·e−2t − 9·e−3t
y(0,6) = 1,825

Ответ

y(0,6) = 1,825

Проверка: y(0) = A + B = 2.

5.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 10,09 %

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 87 → ωₙ = 9,327 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9,327) = 0,5897

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,294 = 10,09 %

Ответ

%OS = 10,09 %
6.Переходная характеристика

Ответ: xmax = 25,08 mm

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(1000/2,5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(1000·2,5)) = 0,4

Результат

xst = F/k = 20/1000 m = 20 mm
%OS = 25,38 %
xmax = 20·(1 + 0,2538) = 25,08 mm

Ответ

xmax = 25,08 mm
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −7,036 dB

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота среза

ωc = R/L = 220/0,0047 = 46809 rad/s
fc = 7450 Hz → f/fc = 3700/7450 = 0,4967

Коэффициент усиления

|H| = 0,4967/√(1 + 0,4967²) = 0,4448
20·log₁₀(0,4448) = −7,036 dB

Ответ

|H| = −7,036 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 2 rad/s

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота перехода фазы

(ω/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

Ответ

ω180 = 2 rad/s

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