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
На систему с h(t) = e−0,5tu(t) подан вход x(t) = 1·e−6tu(t). Найдите выход y(1,5) при t = 1,5 s.
x(t) = 1·e−6tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y′(t) + 10·y(t) = 10·x(t). Найдите её импульсную характеристику при t = 0,1 s, h(0,1).
y′ + 10y = 10xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (2s + 14)/(s² + 2s + 1) и вычислите f(0,5).
F(s) = (2s + 14)/(s² + 2s + 1)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = −2 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).
y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 5y′(0) = −2t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 45/(s² + 3s + 45) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.
G(s) = 45/(s² + 3s + 45)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 20 kg подвешена на пружине k = 100 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 = 25 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 20 kgk = 100 N/mc = 13 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 17(s + 12)/(s(s + 4)) при ω = 4 rad/s в градусах.
G(s) = 17(s + 12)/(s(s + 4))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 5)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 5))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(1.5) = 0,08586
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).
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)|.
Передаточная функция
H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 10)
Импульсная характеристика
h(t) = 10·e−10tu(t)
h(0,1) = 10·e−1 = 3,679
Ответ
h(0,1) = 3,679
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.5) = 4,852
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Простые дроби
2s + 14 = 2(s + 1) + 12
F(s) = 2/(s + 1) + 12/(s + 1)²
Обратное преобразование
f(t) = 2·e−t + 12·t·e−t
f(0,5) = (2 + 12·0,5)·e−0,5 = 4,852
Ответ
f(0,5) = 4,852
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 3,373
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 − 5s − (−2) + 11(sY − 5) + 30Y = 0
Y(s) = (5s + 53)/((s + 5)(s + 6))
Простые дроби
A = 28/1 = 28
B = 23/(−1) = −23
Результат
y(t) = 28·e−5t − 23·e−6t
y(0,2) = 3,373
Ответ
y(0,2) = 3,373
Проверка: y(0) = A + B = 5.
5.Переходная характеристика
Ответ: ωn = 6,708 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 = 45 → ωₙ = 6,708 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,708) = 0,2236
Результат
ωₙ = 6,708 rad/s
Ответ
ωn = 6,708 rad/s
6.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,1453
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) = √(100/20) = 2,236 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(100·20)) = 0,1453
Результат
ζ = 0,1453
Ответ
ζ = 0,1453
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −116,6 °
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.
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.