Нарисуйте оба сигнала и отметьте, где каждый из них отличен от нуля.
Отразите h и сдвигайте её: для каждого момента выхода найдите диапазон, где оба сигнала перекрываются.
Перемножайте и складывайте (дискретный случай) или перемножайте и интегрируйте (непрерывный случай) только на этом перекрытии.
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
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 4 s свёртывается с h(t) — треугольником, линейно спадающим от 3 при t = 0 до 0 при t = 4 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 4, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Последовательность импульсов имеет высоту 3, длительность импульса 4 ms и период 10 ms. Найдите амплитуду c1 гармоники номер 1 на частоте 100 Hz.
A = 3τ = 4 msT = 10 ms
c1 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (2s + 22)/(s² + 6s + 5). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−5t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (2s + 22)/(s² + 6s + 5)
A =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 8y′ + 12y = 0 при y(0) = −6 и y′(0) = 15 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,5).
y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −6y′(0) = 15t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 40/(s² + 5s + 20) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.
G(s) = 40/(s² + 5s + 20)
σ =
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 20 kg подвешена на пружине k = 1000 N/m с вязким демпфером c = 170 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 50 N. Найдите момент времени tp, когда смещение наибольшее.
m = 20 kgk = 1000 N/mc = 170 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 22 kΩ, C = 1 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 22 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 22 kΩC = 1 nFf = 22 kHz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 78/(s(s + 2)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 78/(s(s + 2)(s + 9))
GM = dB
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 96
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).
Площади входов
∫x dt = 4·4 = 16
∫h dt = ½·4·3 = 6
Площадь выхода
Ay = 16·6 = 96
Ответ
Ay = 96
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: c1 = 1,816
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)|.
Коэффициент заполнения
D = 4/10 = 0,4
Амплитуда гармоники
c1 = (2·3/(1π))·|sin(1π·0,4)| = 1,816
Ответ
c1 = 1,816
3.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 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 + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (2s + 22)/(s + 5) |s = −1 = 20/4 = 5
Ответ
A = 5
(B = −3, поэтому f(t) = 5·e−t − 3·e−5t)
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.5) = −1,969
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 − (−6)s − 15 + 8(sY − (−6)) + 12Y = 0
Y(s) = (−6s − 33)/((s + 2)(s + 6))
Простые дроби
A = −21/4 = −5,25
B = 3/(−4) = −0,75
Результат
y(t) = −5,25·e−2t − 0,75·e−6t
y(0,5) = −1,969
Ответ
y(0,5) = −1,969
Проверка: y(0) = A + B = −6.
5.Переходная характеристика
Ответ: σ = −2,5
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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,472) = 0,559
Результат
σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5
Ответ
σ = −2,5
6.Переходная характеристика
Ответ: tp = 0,5559 s
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) = √(1000/20) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 170/(2·√(1000·20)) = 0,601
Результат
ωd = 5,651 rad/s
tp = π/ωd = 0,5559 s
Ответ
tp = 0,5559 s
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −0,4459 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 = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 22000/7234 = 3,041
Коэффициент усиления
|H| = 3,041/√(1 + 3,041²) = 0,95
20·log₁₀(0,95) = −0,4459 dB
Ответ
|H| = −0,4459 dB
8.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 8,091 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.