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) = 1 при 0 ≤ t < 3 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 3 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(3,5) при t = 3,5 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 3,5 s
y(3.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,9·y[n − 1] + 3·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[3].
y[n] = 0,9y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (3s + 10)/(s² + 6s + 13) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).
F(s) = (3s + 10)/(s² + 6s + 13)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = −3 и y′(0) = −14 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(1).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = −3y′(0) = −14t = 1 s
y(1) =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 110/(s² + 4s + 55) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 110/(s² + 4s + 55)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 8 kg подвешена на пружине k = 2000 N/m с вязким демпфером c = 126 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 20 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 8 kgk = 2000 N/mc = 126 N·s/mF = 20 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 1 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 17 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 1 kΩC = 4,7 nFf = 17 kHz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 32/(s(s + 1)(s + 7)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 32/(s(s + 1)(s + 7))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(3.5) = 9
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).
Перекрытие отражённого импульса
h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.
τ ∈ [0, 3] → длина 3 s
Интеграл
y(3,5) = 1·3·3 = 9
Ответ
y(3,5) = 9
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 9 и снова падает до 0 при t = 7 s.
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y[3] = 10,32
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)|.
Итерации
y[0] = 3
y[1] = 5,7
y[2] = 8,13
y[3] = 10,32
Результат
y[3] = 3·(1 − (0,9)4)/(1 − 0,9) = 10,32
Ответ
y[3] = 10,32
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 0,7376
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 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 − (−3)s − (−14) + 6(sY − (−3)) + 5Y = 0
Y(s) = (−3s − 32)/((s + 1)(s + 5))
Простые дроби
A = −29/4 = −7,25
B = −17/(−4) = 4,25
Результат
y(t) = −7,25·e−t + 4,25·e−5t
y(1) = −2,638
Ответ
y(1) = −2,638
Проверка: y(0) = A + B = −3.
5.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 41,49 %
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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,416) = 0,2697
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8798 = 41,49 %
Ответ
%OS = 41,49 %
6.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,4981
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) = √(2000/8) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 126/(2·√(2000·8)) = 0,4981
Результат
ζ = 0,4981
Ответ
ζ = 0,4981
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −0,9761 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/(1000·4,7 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 17000/33863 = 0,502
Коэффициент усиления
|H| = 1/√(1 + 0,502²) = 0,8937
20·log₁₀(0,8937) = −0,9761 dB
Ответ
|H| = −0,9761 dB
8.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ω180 = 2,646 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.