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
Система имеет импульсную характеристику h(t) = e−4tu(t). На входе ступенька x(t) = 10·u(t). Найдите выход y(0,5) при t = 0,5 s.
h(t) = e−4tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
На систему с h(t) = 5·e−20tu(t) подан вход x(t) = 2·cos(20t). Найдите фазу φ установившегося выхода относительно входа в градусах.
h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 2cos(20t)
φ = °
3.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (4s + 30)/(s² + 10s + 25) и вычислите f(0,1).
F(s) = (4s + 30)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 9y′ + 18y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = 1 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,25).
y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 3y′(0) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 63/(s² + 4s + 63) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 63/(s² + 4s + 63)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
Переходная характеристика системы второго порядка без нулей показывает перерегулирование 15 %, а первый пик наступает при t = 0,5 s. Найдите собственную частоту ωn.
%OS = 15 %tp = 0,5 s
ωn = rad/s
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 20 Ω при L = 20 mH и C = 4,7 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.
R = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 720/(s(s + 20)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.
L(s) = 720/(s(s + 20))
ωc = rad/s
3Растворы
1.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: y(0.5) = 2,162
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).
Свёртка со ступенькой
y(t) = 10·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (10/4)·(1 − e−4t)
Вычислите
y(0,5) = 2,5·(1 − e−2) = 2,162
Ответ
y(0,5) = 2,162
2.Свёртка и линейные стационарные системы
Ответ: φ = −45 °
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) = 5/(20 + jω)
Фаза на частоте входа
φ = −atan(20/20) = −45°
Ответ
φ = −45°
3.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.1) = 3,033
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Простые дроби
4s + 30 = 4(s + 5) + 10
F(s) = 4/(s + 5) + 10/(s + 5)²
Обратное преобразование
f(t) = 4·e−5t + 10·t·e−5t
f(0,1) = (4 + 10·0,1)·e−5·0,1 = 3,033
Ответ
f(0,1) = 3,033
4.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.25) = 2,248
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 − 3s − 1 + 9(sY − 3) + 18Y = 0
Y(s) = (3s + 28)/((s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = 19/3 = 6,333
B = 10/(−3) = −3,333
Результат
y(t) = 6,333·e−3t − 3,333·e−6t
y(0,25) = 2,248
Ответ
y(0,25) = 2,248
Проверка: y(0) = A + B = 3.
5.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 44,13 %
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 = 4 → ζ = 4/(2·7,937) = 0,252
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,818 = 44,13 %
Ответ
%OS = 44,13 %
6.Переходная характеристика
Ответ: ωn = 7,34 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).
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.
Резонансная частота
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz
Полоса пропускания
BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Ответ
BW = 159,2 Hz
8.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ωc = 23,39 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.