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)t−21h(t)t23

Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = −2 s и t = 1 s, а h(t) — только между t = 2 s и t = 3 s. Найдите момент времени tend, в который заканчивается y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −2 … 1 sh: 2 … 3 s
tend = s
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
x(t)t (ms)2,55103

Меандр переключается между 3 и 0 s периодом T = 5 ms (половину периода на каждом уровне). Найдите амплитуду c1 его фурье-компоненты на частоте 200 Hz.

0 … 3T = 5 msf = 200 Hz
c1 =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (4s + 15)/(s² + 7s + 6). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−6t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (4s + 15)/(s² + 7s + 6)
A =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t), где y(0) = 6 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(1,2).

y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2

Система имеет передаточную функцию G(s) = 82/(s² + 8s + 41) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.

G(s) = 82/(s² + 8s + 41)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
k = 500 N/mc = 42 N·s/mm = 10 kgF = 20 Nx(t)

Масса m = 10 kg подвешена на пружине k = 500 N/m с вязким демпфером c = 42 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 20 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 10 kgk = 500 N/mc = 42 N·s/mF = 20 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 1568/((s + 8)(s + 14)) при ω = 3 rad/s в dB.

G(s) = 1568/((s + 8)(s + 14))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 640/(s(s + 20)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 640/(s(s + 20))
PM = °

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: tend = 4 s

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).

Начало и конец

tstart = −2 + 2 = 0 s
tend = 1 + 3 = 4 s

Ответ

tend = 4 s

Ответ

tend = 4 s
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: c1 = 1,91

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 = 200 Hz → k = 200/200 = 1

Амплитуда

c1 = 4·1,5/(1π) = 1,91

Ответ

c1 = 1,91
3.Преобразования Лапласа

Ответ: A = 2,2

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 + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 6)

Правило закрытия

Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.

A = (4s + 15)/(s + 6) |s = −1 = 11/5 = 2,2

Ответ

A = 2,2
(B = 1,8, поэтому f(t) = 2,2·e−t + 1,8·e−6t)
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(1.2) = 4,752

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 + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 20/s
Y(s) = (6s² + 36s + 20)/(s(s + 1)(s + 5))

Простые дроби

A = 20/(1·5) = 4
B = −10/((−1)·4) = 2,5
C = −10/((−5)·(−4)) = −0,5

Результат

y(t) = 4 + 2,5·e−t − 0,5·e−5t
y(1,2) = 4,752

Ответ

y(1,2) = 4,752

Проверка: y(0) = A + B + C = 6.

5.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 6,403 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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6,403) = 0,6247

Результат

ωₙ = 6,403 rad/s

Ответ

ωn = 6,403 rad/s
6.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,297

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) = √(500/10) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 42/(2·√(500·10)) = 0,297

Результат

ζ = 0,297

Ответ

ζ = 0,297
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 22,16 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(j3)| = 1568/(√(3² + 8²)·√(3² + 14²)) = 1568/(8,544·14,32) = 12,82

Результат

20·log₁₀(12,82) = 22,16 dB

Ответ

|G(jω)| = 22,16 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 42,68 °

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 + 400ω² − 409600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·409600))/2 = 470,5
ωc = 21,69 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(21,69/20) = −137,3°
PM = 180° + ∠L = 42,68°

Ответ

PM = 42,68°

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