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)t1h(t)t1

На систему с h(t) = e−0,5tu(t) подан вход x(t) = 1·e−6tu(t). Найдите выход y(0,25) при t = 0,25 s.

x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)2481−1

Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −1 и +1 s периодом T = 4 ms. Найдите амплитуду c5 её фурье-компоненты на частоте 1250 Hz.

±1T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm5

Найдите f(t) для F(s) = (5s + 14)/(s² + 8s + 41) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).

F(s) = (5s + 14)/(s² + 8s + 41)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Решите y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = −4 и y′(0) = −8 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = −4y′(0) = −8t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5

Система имеет передаточную функцию G(s) = 20/(s² + 3s + 40) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 20/(s² + 3s + 40)
σ =
6.Переходная характеристикаСложная
+−12 VR = 100 ΩL = 100 mHC = 10 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 100 Ω, L = 100 mH и C = 10 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите собственную частоту ωn без затухания в rad/s.

R = 100 ΩL = 100 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​L = 2,2 mHR = 22 Ωvout​

Изображённый RL-фильтр нижних частот имеет R = 22 Ω, L = 2,2 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 400 Hz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 22 ΩL = 2,2 mHf = 400 Hz
φ = °
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) = 488/(s(s + 8)(s + 9)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 488/(s(s + 8)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(0.25) = 0,1199

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).

Интеграл свёртки

y(t) = 1e−0,5t∫₀ᵗ e−(6 − 0,5)τ dτ = 1(e−0,5t − e−6t)/(5,5)

Вычислите

y(0,25) = 1·(0,8825 − 0,2231)/(5,5) = 0,1199

Ответ

y(0,25) = 0,1199
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c5 = 0,03242

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)|.

Номер гармоники

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 5

Амплитуда

c5 = 8·1/(π²·5²) = 0,03242

Ответ

c5 = 0,03242
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = −0,6404

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).

Выделение полного квадрата

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

Подбор числителя

F(s) = 5·(s + 4)/((s + 4)² + 5²) + (−6/5)·5/((s + 4)² + 5²)

Обратное преобразование

f(t) = e−4t·(5·cos 5t − 1,2·sin 5t)
f(0,4) = e−4·0,4·(5·cos(5·0,4) − 1,2·sin(5·0,4)) = −0,6404

Ответ

f(0,4) = −0,6404
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = −4,185

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 − (−4)s − (−8) + 7(sY − (−4)) + 12Y = 0
Y(s) = (−4s − 36)/((s + 3)(s + 4))

Простые дроби

A = −24/1 = −24
B = −20/(−1) = 20

Результат

y(t) = −24·e−3t + 20·e−4t
y(0,2) = −4,185

Ответ

y(0,2) = −4,185

Проверка: y(0) = A + B = −4.

5.Переходная характеристика

Ответ: σ = −1,5

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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,325) = 0,2372

Результат

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Ответ

σ = −1,5
6.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 1000 rad/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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (100/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,1) = 0,5

Результат

ωₙ = 1000 rad/s

Ответ

ωn = 1000 rad/s
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −14,11 °

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 = 22/0,0022 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 400/1592 = 0,2513

Фаза

φ = − atan(0,2513) = −14,11°

Ответ

φ = −14,11°
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 8,485 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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Ответ

ω180 = 8,485 rad/s

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