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)t4h(t)t0,251

Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−4tu(t). На входе ступенька x(t) = 4·u(t). Найдите выход y(1) при t = 1 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 1 s
y(1) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)0,4124

Последовательность импульсов имеет высоту 4, длительность импульса 0,4 ms и период 1 ms. Найдите амплитуду c2 гармоники номер 2 на частоте 2000 Hz.

A = 4τ = 0,4 msT = 1 ms
c2 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm5

Найдите f(t) для F(s) = (2s + 8)/(s² + 4s + 40) выделением полного квадрата и вычислите f(0,25).

F(s) = (2s + 8)/(s² + 4s + 40)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,1).

y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2

Система имеет передаточную функцию G(s) = 112/(s² + 2s + 56) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

G(s) = 112/(s² + 2s + 56)
ζ =
6.Переходная характеристикаСложная
k = 200 N/mc = 25 N·s/mm = 20 kgF = 5 Nx(t)

Масса m = 20 kg подвешена на пружине k = 200 N/m с вязким демпфером c = 25 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 5 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.

m = 20 kgk = 200 N/mc = 25 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 2805/((s + 11)(s + 15)) при ω = 8 rad/s в dB.

G(s) = 2805/((s + 11)(s + 15))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 262/(s(s + 5)(s + 6)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 262/(s(s + 5)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1) = 0,9817

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) = 4·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (4/4)·(1 − e−4t)

Вычислите

y(1) = 1·(1 − e−4) = 0,9817

Ответ

y(1) = 0,9817
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c2 = 0,7484

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 = 0,4/1 = 0,4

Амплитуда гармоники

c2 = (2·4/(2π))·|sin(2π·0,4)| = 0,7484

Ответ

c2 = 0,7484
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.25) = 0,4891

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 + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Подбор числителя

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

Обратное преобразование

f(t) = e−2t·(2·cos 6t + 0,6667·sin 6t)
f(0,25) = e−2·0,25·(2·cos(6·0,25) + 0,6667·sin(6·0,25)) = 0,4891

Ответ

f(0,25) = 0,4891
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = 5,046

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 + 12)·Y(s) = 5s + 40 + 72/s
Y(s) = (5s² + 40s + 72)/(s(s + 2)(s + 6))

Простые дроби

A = 72/(2·6) = 6
B = 12/((−2)·4) = −1,5
C = 12/((−6)·(−4)) = 0,5

Результат

y(t) = 6 − 1,5·e−2t + 0,5·e−6t
y(0,1) = 5,046

Ответ

y(0,1) = 5,046

Проверка: y(0) = A + B + C = 5.

5.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,1336

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 = 56 → ωₙ = 7,483 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,483) = 0,1336

Результат

ζ = 0,1336

Ответ

ζ = 0,1336
6.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 53,08 %

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) = √(200/20) = 3,162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 25/(2·√(200·20)) = 0,1976

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 53,08 %

Ответ

%OS = 53,08 %
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 21,68 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.

Перемножьте модули

|G(j8)| = 2805/(√(8² + 11²)·√(8² + 15²)) = 2805/(13,6·17) = 12,13

Результат

20·log₁₀(12,13) = 21,68 dB

Ответ

|G(jω)| = 21,68 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 5,477 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 перехода фазы

(ω/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Ответ

ω180 = 5,477 rad/s

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