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) = 1 при 0 ≤ t < 2 s (в остальное время нуль) подан на систему с импульсной характеристикой h(t) = 5 при 0 ≤ t < 4 s (в остальное время нуль). Найдите выход y(4,5) при t = 4,5 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
Система подчиняется уравнению y[n] = 0,6·y[n − 1] + 0,5·x[n] и начинает с состояния покоя. Найдите отсчёт h[5] её импульсной характеристики.
y[n] = 0,6y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (3s + 24)/(s² + 6s + 5). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−5t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (3s + 24)/(s² + 6s + 5)
A =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 6y = 3·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 2 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(1).
Система имеет передаточную функцию G(s) = 82/(s² + 9s + 82) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
G(s) = 82/(s² + 9s + 82)
ζ =
6.Переходная характеристикаСложная
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 16)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 30 %.
G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 30 %
K =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 1000 Ω, L = 10 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 3,2 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 1000 ΩL = 10 mHf = 3,2 kHz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 110/(s(s + 5)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 110/(s(s + 5))
PM = °
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(4.5) = 7,5
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).
Перекрытие отражённого импульса
h(t − τ) — это импульс h, отражённый и сдвинутый так, что он заканчивается в точке τ = t.
τ ∈ [0,5, 2] → длина 1,5 s
Интеграл
y(4,5) = 1·5·1,5 = 7,5
Ответ
y(4,5) = 7,5
y(t) имеет форму трапеции: она растёт от 0, держится на уровне 10 и снова падает до 0 при t = 6 s.
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: h[5] = 0,03888
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
h[0] = 0,5
h[1] = 0,3
h[2] = 0,18
h[3] = 0,108
h[4] = 0,0648
h[5] = 0,03888
Результат
h[5] = 0,5·(0,6)5 = 0,03888
Ответ
h[5] = 0,03888
3.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 5,25
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 + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (3s + 24)/(s + 5) |s = −1 = 21/4 = 5,25
Ответ
A = 5,25
(B = −2,25, поэтому f(t) = 5,25·e−t − 2,25·e−5t)
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(1) = 0,559
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
Y(s) = 6/(s(s + 1)(s + 6))
Простые дроби
A = 6/(1·6) = 1
B = 6/((−1)·5) = −1,2
C = 6/((−6)·(−5)) = 0,2
Выделение
y(t) = 1 − 1,2·e−t + 0,2·e−6t
y(1) = 0,559
Ответ
y(1) = 0,559
5.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,4969
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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,055) = 0,4969
Результат
ζ = 0,4969
Ответ
ζ = 0,4969
6.Переходная характеристика
Ответ: K = 499,8
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).
Передаточная функция замкнутой системы
T(s) = K/(s² + 16s + K)
Коэффициент демпфирования по перерегулированию
ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579
Коэффициент усиления
ωₙ = 16/(2ζ) = 22,36 rad/s
K = ωₙ² = 499,8
Ответ
K = 499,8
7.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −14,11 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.
Частота среза
ωc = R/L = 1000/0,01 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 3200/15915 = 0,2011
Коэффициент усиления
|H| = 0,2011/√(1 + 0,2011²) = 0,1971
20·log₁₀(0,1971) = −14,11 dB
Ответ
|H| = −14,11 dB
8.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: PM = 26,77 °
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.