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 < 1 s (в остальное время нуль) подан на систему с h(t) = e−0,5tu(t). Найдите выход y(2,5) при t = 2,5 s, после окончания импульса.
x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 5·e−2tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(4t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.
h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 10cos(4t)
φ = °
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,25).
F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,1).
Система имеет передаточную функцию G(s) = 49/(s² + 11s + 49) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 49/(s² + 11s + 49)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 2 kg подвешена на пружине k = 2000 N/m с вязким демпфером c = 38 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 100 N. Найдите наибольшее смещение xmax в mm.
m = 2 kgk = 2000 N/mc = 38 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 30(s + 10)/(s(s + 15)) при ω = 10 rad/s в градусах.
G(s) = 30(s + 10)/(s(s + 15))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 246/(s(s + 3)(s + 10)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 246/(s(s + 3)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(2.5) = 1,487
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).
Выход в конце импульса
y(1) = (4/0,5)(1 − e−0,5) = 3,148
Затухание после импульса
y(2,5) = 3,148·e−0,5·1,5 = 1,487
Ответ
y(2,5) = 1,487
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: φ = −63,43 °
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)|.
Частотная характеристика
H(jω) = 5/(2 + jω)
Фаза на частоте входа
φ = −atan(4/2) = −63,43°
Ответ
φ = −63,43°
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.25) = 0,3966
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).
Простые дроби
F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 30/(5·6) = 1
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5
Обратное преобразование
f(t) = 1 − 6·e−5t + 5·e−6t
Вычислите
f(0,25) = 1 − 6·e−5·0,25 + 5·e−6·0,25 = 0,3966
Ответ
f(0,25) = 0,3966
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = 5,769
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
(s² + 8s + 15)·Y(s) = 6s + 48 + 30/s
Y(s) = (6s² + 48s + 30)/(s(s + 3)(s + 5))
Простые дроби
A = 30/(3·5) = 2
B = −60/((−3)·2) = 10
C = −60/((−5)·(−2)) = −6
Результат
y(t) = 2 + 10·e−3t − 6·e−5t
y(0,1) = 5,769
Ответ
y(0,1) = 5,769
Проверка: y(0) = A + B + C = 6.
5.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 1,849 %
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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7) = 0,7857
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,99 = 1,849 %
Ответ
%OS = 1,849 %
6.Переходная характеристика
Ответ: xmax = 68,59 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) = √(2000/2) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 38/(2·√(2000·2)) = 0,3004
Результат
xst = F/k = 100/2000 m = 50 mm
%OS = 37,18 %
xmax = 50·(1 + 0,3718) = 68,59 mm
Ответ
xmax = 68,59 mm
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −78,69 °
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.
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.