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)t2h(t)t1

На систему с h(t) = e−1tu(t) подан вход x(t) = 2·e−4tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)0,8242

Последовательность импульсов имеет высоту 2, длительность импульса 0,8 ms и период 2 ms. Найдите амплитуду c3 гармоники номер 3 на частоте 1500 Hz.

A = 2τ = 0,8 msT = 2 ms
c3 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−112

Найдите f(t) для F(s) = 38/(s² + 2s + 5) выделением полного квадрата и вычислите f(0,8).

F(s) = 38/(s² + 2s + 5)t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t), где y(0) = 3 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 82/(s² + 8s + 82) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 82/(s² + 8s + 82)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)130 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей должна иметь перерегулирование 30 %. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

%OS = 30 %
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 22 kΩC = 2,2 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 22 kΩ, C = 2,2 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 1,6 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 22 kΩC = 2,2 nFf = 1,6 kHz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 13,5/(s(s + 1)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 13,5/(s(s + 1))
PM = °

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1.5) = 0,1471

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) = 2e−1t∫₀ᵗ e−(4 − 1)τ dτ = 2(e−1t − e−4t)/(3)

Вычислите

y(1,5) = 2·(0,2231 − 0,002479)/(3) = 0,1471

Ответ

y(1,5) = 0,1471
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c3 = 0,2495

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 = 0,8/2 = 0,4

Амплитуда гармоники

c3 = (2·2/(3π))·|sin(3π·0,4)| = 0,2495

Ответ

c3 = 0,2495
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.8) = 8,534

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 + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Подбор числителя

F(s) = (38/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Обратное преобразование

f(t) = e−t·(19·sin 2t)
f(0,8) = e−0,8·(19·sin(2·0,8)) = 8,534

Ответ

f(0,8) = 8,534
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.75) = 2,656

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 + 4s + 3)·Y(s) = 3s + 12 + 6/s
Y(s) = (3s² + 12s + 6)/(s(s + 1)(s + 3))

Простые дроби

A = 6/(1·3) = 2
B = −3/((−1)·2) = 1,5
C = −3/((−3)·(−2)) = −0,5

Результат

y(t) = 2 + 1,5·e−t − 0,5·e−3t
y(0,75) = 2,656

Ответ

y(0,75) = 2,656

Проверка: y(0) = A + B + C = 3.

5.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 21,29 %

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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,055) = 0,4417

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,547 = 21,29 %

Ответ

%OS = 21,29 %
6.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,3579

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).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Ответ

ζ = 0,3579
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −0,9228 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/(22000·2,2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 1600/3288 = 0,4866

Коэффициент усиления

|H| = 1/√(1 + 0,4866²) = 0,8992
20·log₁₀(0,8992) = −0,9228 dB

Ответ

|H| = −0,9228 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 15,5 °

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 усиления

ω⁴ + 1ω² − 182,3 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·182,3))/2 = 13,01
ωc = 3,607 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(3,607/1) = −164,5°
PM = 180° + ∠L = 15,5°

Ответ

PM = 15,5°

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