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
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−1tu(t). На входе ступенька x(t) = 5·u(t). Найдите выход y(2) при t = 2 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 2 s
y(2) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 2·e−2tu(t) подан вход x(t) = 2·cos(1,5t). Найдите амплитуду Ym установившегося выхода.
h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(1,5t)
Ym =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 1) и вычислите f(1,5).
F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 1)t = 1,5 s
f(1.5) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 7 и y′(0) = 5 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,5).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 7y′(0) = 5t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 59/(s² + 3s + 59) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.
G(s) = 59/(s² + 3s + 59)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 1 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 23 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 1 kgk = 800 N/mc = 23 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 8(s + 9)/(s(s + 3)) при ω = 0,5 rad/s в градусах.
G(s) = 8(s + 9)/(s(s + 3))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 9)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 9))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(2) = 4,323
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−1τ dτ = (5/1)·(1 − e−1t)
Вычислите
y(2) = 5·(1 − e−2) = 4,323
Ответ
y(2) = 4,323
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ym = 1,6
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) = 2/(2 + jω)
Коэффициент передачи на частоте входа
|H(j1,5)| = 2/√(2² + 1,5²) = 0,8
Ym = 2·0,8 = 1,6
Ответ
Ym = 1,6
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(1.5) = 5,578
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).
Разложение знаменателя на множители
s² + 2s + 1 = (s + 1)²
Простые дроби
4s + 18 = 4(s + 1) + 14
F(s) = 4/(s + 1) + 14/(s + 1)²
Обратное преобразование
f(t) = 4·e−t + 14·t·e−t
f(1,5) = (4 + 14·1,5)·e−1,5 = 5,578
Ответ
f(1,5) = 5,578
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.5) = 4,385
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 − 7s − 5 + 7(sY − 7) + 10Y = 0
Y(s) = (7s + 54)/((s + 2)(s + 5))
Простые дроби
A = 40/3 = 13,33
B = 19/(−3) = −6,333
Результат
y(t) = 13,33·e−2t − 6,333·e−5t
y(0,5) = 4,385
Ответ
y(0,5) = 4,385
Проверка: y(0) = A + B = 7.
5.Переходная характеристика
Ответ: ωn = 7,681 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).
Сравните со стандартной формой
Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 59 → ωₙ = 7,681 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,681) = 0,1953
Результат
ωₙ = 7,681 rad/s
Ответ
ωn = 7,681 rad/s
6.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,4066
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) = √(800/1) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 23/(2·√(800·1)) = 0,4066
Результат
ζ = 0,4066
Ответ
ζ = 0,4066
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −96,28 °
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.