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)t11h(t)t1

Импульс x(t) = 1 при 0 ≤ t < 1 s (в остальное время нуль) подан на систему с h(t) = e−2tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s, после окончания импульса.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−2tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)15105

Последовательность импульсов имеет высоту 5, длительность импульса 1 ms и период 5 ms. Найдите её постоянную составляющую (среднее значение) c0.

A = 5τ = 1 msT = 5 ms
c0 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−5−10−15−20

Найдите f(t) для F(s) = (2s + 39)/(s² + 2s + 10) выделением полного квадрата и вычислите f(0,75).

F(s) = (2s + 39)/(s² + 2s + 10)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t), где y(0) = 3 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).

y″ + 5y′ + 4y = 16·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 22/(s² + s + 11) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 22/(s² + s + 11)
tp = s
6.Переходная характеристикаСложная
+−24 VR = 22 ΩL = 50 mHC = 100 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 22 Ω, L = 50 mH и C = 100 µF подключается к ступеньке 24 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.

R = 22 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 30

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 44(s + 6)/(s(s + 16)) при ω = 30 rad/s в градусах.

G(s) = 44(s + 6)/(s(s + 16))ω = 30 rad/s
∠G(jω) = °
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 116/(s(s + 4)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 116/(s(s + 4))
PM = °

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1.5) = 0,159

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).

Выход в конце импульса

y(1) = (1/2)(1 − e−2) = 0,4323

Затухание после импульса

y(1,5) = 0,4323·e−2·0,5 = 0,159

Ответ

y(1,5) = 0,159
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c0 = 1

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 = 1/5 = 0,2

Среднее значение

c₀ = 5·0,2 = 1

Ответ

c0 = 1
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.75) = 3,939

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 + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Подбор числителя

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (37/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Обратное преобразование

f(t) = e−t·(2·cos 3t + 12,33·sin 3t)
f(0,75) = e−0,75·(2·cos(3·0,75) + 12,33·sin(3·0,75)) = 3,939

Ответ

f(0,75) = 3,939
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 3,291

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 + 5s + 4)·Y(s) = 3s + 15 + 32/s
Y(s) = (3s² + 15s + 32)/(s(s + 1)(s + 4))

Простые дроби

A = 32/(1·4) = 8
B = 20/((−1)·3) = −6,667
C = 20/((−4)·(−3)) = 1,667

Результат

y(t) = 8 − 6,667·e−t + 1,667·e−4t
y(0,2) = 3,291

Ответ

y(0,2) = 3,291

Проверка: y(0) = A + B + C = 3.

5.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,9582 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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3,317) = 0,1508

Результат

ωd = 3,317·√(1 − 0,1508²) = 3,279 rad/s → tp = π/ωd = 0,9582 s

Ответ

tp = 0,9582 s
6.Переходная характеристика

Ответ: vC,max = 28,07 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁴) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (22/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,05) = 0,4919

Результат

%OS = 16,95 %
vC,max = 24·(1 + 0,1695) = 28,07 V

Ответ

vC,max = 28,07 V
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −73,24 °

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.

Сложите углы

∠G = atan(30/6) − 90° − atan(30/16) = 78,69° − 90° − 61,93°

Результат

∠G(j30) = −73,24°

Ответ

∠G(jω) = −73,24°
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 21,03 °

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 + 16ω² − 13456 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·13456))/2 = 108,3
ωc = 10,41 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(10,41/4) = −159°
PM = 180° + ∠L = 21,03°

Ответ

PM = 21,03°

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