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)t1

На систему с h(t) = e−1tu(t) подан вход x(t) = 4·e−4tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 4·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
10cos(3,75t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

На систему с h(t) = 2·e−5tu(t) подан вход x(t) = 10·cos(3,75t). Найдите амплитуду Ym установившегося выхода.

h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 10cos(3,75t)
Ym =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−2−4−6−8−1024

Найдите f(t) для F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 32) выделением полного квадрата и вычислите f(0,25).

F(s) = (2s + 19)/(s² + 8s + 32)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Решите y″ + 9y′ + 20y = 0 при y(0) = 9 и y′(0) = 5 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 9y′(0) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 63/(s² + 5s + 63) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.

G(s) = 63/(s² + 5s + 63)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
+−24 VR = 379 ΩL = 100 mHC = 1 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 379 Ω, L = 100 mH и C = 1 µF подключается к ступеньке 24 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите собственную частоту ωn без затухания в rad/s.

R = 379 ΩL = 100 mHC = 1 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 960/((s + 16)(s + 20)) при ω = 1 rad/s в dB.

G(s) = 960/((s + 16)(s + 20))ω = 1 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) = 52/(s(s + 3)(s + 6)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 52/(s(s + 3)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y(1.5) = 0,2942

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) = 4e−1t∫₀ᵗ e−(4 − 1)τ dτ = 4(e−1t − e−4t)/(3)

Вычислите

y(1,5) = 4·(0,2231 − 0,002479)/(3) = 0,2942

Ответ

y(1,5) = 0,2942
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: Ym = 3,2

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)|.

Частотная характеристика

H(jω) = 2/(5 + jω)

Коэффициент передачи на частоте входа

|H(j3,75)| = 2/√(5² + 3,75²) = 0,32
Ym = 10·0,32 = 3,2

Ответ

Ym = 3,2
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.25) = 1,249

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 + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (11/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−4t·(2·cos 4t + 2,75·sin 4t)
f(0,25) = e−4·0,25·(2·cos(4·0,25) + 2,75·sin(4·0,25)) = 1,249

Ответ

f(0,25) = 1,249
4.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.3) = 5,911

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 − 5 + 9(sY − 9) + 20Y = 0
Y(s) = (9s + 86)/((s + 4)(s + 5))

Простые дроби

A = 50/1 = 50
B = 41/(−1) = −41

Результат

y(t) = 50·e−4t − 41·e−5t
y(0,3) = 5,911

Ответ

y(0,3) = 5,911

Проверка: y(0) = A + B = 9.

5.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 7,937 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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7,937) = 0,315

Результат

ωₙ = 7,937 rad/s

Ответ

ωn = 7,937 rad/s
6.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 3162 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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (379/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,1) = 0,5993

Результат

ωₙ = 3162 rad/s

Ответ

ωn = 3162 rad/s
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 9,515 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(j1)| = 960/(√(1² + 16²)·√(1² + 20²)) = 960/(16,03·20,02) = 2,99

Результат

20·log₁₀(2,99) = 9,515 dB

Ответ

|G(jω)| = 9,515 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 4,243 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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4,243 rad/s

Ответ

ω180 = 4,243 rad/s

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