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)t1h(t)t1

На систему с h(t) = e−0,5tu(t) подан вход x(t) = 1·e−3tu(t). Найдите выход y(2) при t = 2 s.

x(t) = 1·e−3tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)1243−3

Треугольная волна линейно нарастает и спадает между −3 и +3 s периодом T = 2 ms. Найдите амплитуду c3 её фурье-компоненты на частоте 1500 Hz.

±3T = 2 msf = 1500 Hz
c3 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−2−424

Найдите f(t) для F(s) = (s + 5)/(s² + 6s + 25) выделением полного квадрата и вычислите f(0,3).

F(s) = (s + 5)/(s² + 6s + 25)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Решите y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 9 и y′(0) = −2 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(1,2).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 9y′(0) = −2t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 18/(s² + 2s + 36) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 18/(s² + 2s + 36)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
k = 500 N/mc = 11 N·s/mm = 2,5 kgF = 50 Nx(t)

Масса m = 2,5 kg подвешена на пружине k = 500 N/m с вязким демпфером c = 11 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 50 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 2,5 kgk = 500 N/mc = 11 N·s/mF = 50 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 2,2 kΩC = 2,2 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 2,2 kΩ, C = 2,2 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 8,2 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 2,2 kΩC = 2,2 nFf = 8,2 kHz
φ = °
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) = K/(s(s + 1)(s + 2)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2))GM = 8 dB
K =

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(2) = 0,1462

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).

Интеграл свёртки

y(t) = 1e−0,5t∫₀ᵗ e−(3 − 0,5)τ dτ = 1(e−0,5t − e−3t)/(2,5)

Вычислите

y(2) = 1·(0,3679 − 0,002479)/(2,5) = 0,1462

Ответ

y(2) = 0,1462
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c3 = 0,2702

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)|.

Номер гармоники

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 3

Амплитуда

c3 = 8·3/(π²·3²) = 0,2702

Ответ

c3 = 0,2702
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.3) = 0,3368

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 + 25 = (s + 3)² + 16 = (s + 3)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 4²) + (2/4)·4/((s + 3)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(cos 4t + 0,5·sin 4t)
f(0,3) = e−3·0,3·(cos(4·0,3) + 0,5·sin(4·0,3)) = 0,3368

Ответ

f(0,3) = 0,3368
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(1.2) = 3,394

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 − 9s − (−2) + 5(sY − 9) + 4Y = 0
Y(s) = (9s + 43)/((s + 1)(s + 4))

Простые дроби

A = 34/3 = 11,33
B = 7/(−3) = −2,333

Результат

y(t) = 11,33·e−t − 2,333·e−4t
y(1,2) = 3,394

Ответ

y(1,2) = 3,394

Проверка: y(0) = A + B = 9.

5.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 58,8 %

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 = 36 → ωₙ = 6 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6) = 0,1667

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,531 = 58,8 %

Ответ

%OS = 58,8 %
6.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,1556

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) = √(500/2,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 11/(2·√(500·2,5)) = 0,1556

Результат

ζ = 0,1556

Ответ

ζ = 0,1556
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −14 °

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/(2200·2,2 × 10⁻⁹) = 206612 rad/s
fc = 32883 Hz → f/fc = 8200/32883 = 0,2494

Фаза

φ = − atan(0,2494) = −14°

Ответ

φ = −14°
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 2,389

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/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

Требуемое усиление

6/K = 108/20 = 2,512
K = 6/2,512 = 2,389

Ответ

K = 2,389

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