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
Импульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 3 s свёртывается с импульсом h(t) = 3 при 0 ≤ t < 1 s. Найдите площадь Ay под y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,9·y[n − 1] + 3·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[4].
y[n] = 0,9y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[4] =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 5)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,1).
F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t), где y(0) = 2 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).
Система имеет передаточную функцию G(s) = 216/(s² + 8s + 72) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
G(s) = 216/(s² + 8s + 72)
ζ =
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 4 kg подвешена на пружине k = 500 N/m с вязким демпфером c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 50 N. Найдите наибольшее смещение xmax в mm.
m = 4 kgk = 500 N/mc = 13 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 10 kΩ, C = 1 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 3,2 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 10 kΩC = 1 nFf = 3,2 kHz
φ = °
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 10/(s(s + 1)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 10/(s(s + 1))
PM = °
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: Ay = 36
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).
Площади входов
∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = 3·1 = 3
Площадь выхода
Ay = 12·3 = 36
Ответ
Ay = 36
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y[4] = 12,29
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)|.
Итерации
y[0] = 3
y[1] = 5,7
y[2] = 8,13
y[3] = 10,32
y[4] = 12,29
Результат
y[4] = 3·(1 − (0,9)5)/(1 − 0,9) = 12,29
Ответ
y[4] = 12,29
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.1) = 0,1733
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).
Простые дроби
F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 45/(3·5) = 3
B = 45/((−3)·2) = −7,5
C = 45/((−5)·(−2)) = 4,5
Обратное преобразование
f(t) = 3 − 7,5·e−3t + 4,5·e−5t
Вычислите
f(0,1) = 3 − 7,5·e−3·0,1 + 4,5·e−5·0,1 = 0,1733
Ответ
f(0,1) = 0,1733
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 4,749
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 + 7s + 12)·Y(s) = 2s + 14 + 240/s
Y(s) = (2s² + 14s + 240)/(s(s + 3)(s + 4))
Простые дроби
A = 240/(3·4) = 20
B = 216/((−3)·1) = −72
C = 216/((−4)·(−1)) = 54
Результат
y(t) = 20 − 72·e−3t + 54·e−4t
y(0,2) = 4,749
Ответ
y(0,2) = 4,749
Проверка: y(0) = A + B + C = 2.
5.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,4714
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 = 72 → ωₙ = 8,485 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,485) = 0,4714
Результат
ζ = 0,4714
Ответ
ζ = 0,4714
6.Переходная характеристика
Ответ: xmax = 163 mm
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) = √(500/4) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(500·4)) = 0,1453
Результат
xst = F/k = 50/500 m = 100 mm
%OS = 63,03 %
xmax = 100·(1 + 0,6303) = 163 mm
Ответ
xmax = 163 mm
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = −11,37 °
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/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 3200/15915 = 0,2011
Фаза
φ = − atan(0,2011) = −11,37°
Ответ
φ = −11,37°
8.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: PM = 17,96 °
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.