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)t5h(t)t21

Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−0,5tu(t). На входе ступенька x(t) = 5·u(t). Найдите выход y(4) при t = 4 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 4 s
y(4) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)0,3122

Последовательность импульсов имеет высоту 2, длительность импульса 0,3 ms и период 1 ms. Найдите амплитуду c2 гармоники номер 2 на частоте 2000 Hz.

A = 2τ = 0,3 msT = 1 ms
c2 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−55

Найдите f(t) для F(s) = (4s + 18)/(s² + 6s + 45) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).

F(s) = (4s + 18)/(s² + 6s + 45)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 108·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 1 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,1).

y″ + 9y′ + 18y = 108·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 189/(s² + 11s + 63) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 189/(s² + 11s + 63)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
k = 400 N/mc = 4 N·s/mm = 0,5 kgF = 5 Nx(t)

Масса m = 0,5 kg подвешена на пружине k = 400 N/m с вязким демпфером c = 4 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 5 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 0,5 kgk = 400 N/mc = 4 N·s/mF = 5 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​L = 10 mHC = 10 µFR = 5 Ωvout​

В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 5 Ω при L = 10 mH и C = 10 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 10 µF
BW = Hz
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 10/(s(s + 5)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.

L(s) = 10/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(4) = 8,647

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).

Свёртка со ступенькой

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

Вычислите

y(4) = 10·(1 − e−2) = 8,647

Ответ

y(4) = 8,647
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c2 = 0,6055

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 = 0,3/1 = 0,3

Амплитуда гармоники

c2 = (2·2/(2π))·|sin(2π·0,3)| = 0,6055

Ответ

c2 = 0,6055
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = −0,6849

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 + 6s + 45 = (s + 3)² + 36 = (s + 3)² + 6²

Подбор числителя

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 6²) + (6/6)·6/((s + 3)² + 6²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(4·cos 6t + sin 6t)
f(0,4) = e−3·0,4·(4·cos(6·0,4) + sin(6·0,4)) = −0,6849

Ответ

f(0,4) = −0,6849
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = 0,4031

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

Y(s) = 108/(s(s + 3)(s + 6))

Простые дроби

A = 108/(3·6) = 6
B = 108/((−3)·3) = −12
C = 108/((−6)·(−3)) = 6

Выделение

y(t) = 6 − 12·e−3t + 6·e−6t
y(0,1) = 0,4031

Ответ

y(0,1) = 0,4031
5.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 4,884 %

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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,937) = 0,6929

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,019 = 4,884 %

Ответ

%OS = 4,884 %
6.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,1414

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) = √(400/0,5) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(400·0,5)) = 0,1414

Результат

ζ = 0,1414

Ответ

ζ = 0,1414
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: BW = 79,58 Hz

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.

Резонансная частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz

Полоса пропускания

BW = R/L = 5/0,01 = 500 rad/s = 79,58 Hz

Ответ

BW = 79,58 Hz
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ωc = 1,873 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 среза усиления

ω⁴ + 25ω² − 100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·100))/2 = 3,508
ωc = 1,873 rad/s

Ответ

ωc = 1,873 rad/s

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