Сигнали та системи: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Згортка та лінійні стаціонарні системи

Дискретна згортка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Неперервна згортка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Довжина й сума
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Початок, кінець і площа
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Східчастий сигнал на вході e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система першого порядку
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсія першого порядку
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоїда крізь h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплітуди ряду Фур’є
прямокутна ±A: 4A/(kπ), непарні k; трикутна ±A: 8A/(π²k²), непарні k; послідовність імпульсів: A·D і (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
  2. Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
  3. Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
  4. Перевірте результат: вихід починається в суму моментів початку, закінчується в суму моментів завершення, а його площа чи сума дорівнює добутку площ чи сум входів.

2Задачі для практики

1.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
x(t)t24h(t)t14

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s згортають з імпульсом h(t) = 4 при 0 ≤ t < 1 s. Знайдіть площу Ay під y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)1242−2

Прямокутна хвиля перемикається між +2 і −2 з періодом T = 2 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 1500 Hz.

±2T = 2 msf = 1500 Hz
c3 =
3.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,2).

F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 1. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 16·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 40,5/(s² + 8s + 81) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 40,5/(s² + 8s + 81)
tp = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 800 N/mc = 24 N·s/mm = 8 kgF = 10 Nx(t)

Маса m = 8 kg висить на пружині k = 800 N/m з в’язким демпфером c = 24 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 10 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 8 kgk = 800 N/mc = 24 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 27/((s + 1)(s + 9)) за ω = 15 rad/s, у dB.

G(s) = 27/((s + 1)(s + 9))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB

3Розчини

1.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: Ay = 32

Неперервна згортка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Відобразіть h дзеркально, посуньте її в положення t та проінтегруйте добуток частин, що перекриваються. Для причинних сигналів інтеграл береться від 0 до t. Корисні результати: площа y дорівнює площі x, помноженій на площу h; якщо x триває від t₁ до t₂, а h — від t₃ до t₄, то y триває від t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) і східчастого сигналу висотою A маємо y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Площі входів

∫x dt = 4·2 = 8
∫h dt = 4·1 = 4

Площа виходу

Ay = 8·4 = 32

Відповідь

Ay = 32
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,8488

Імпульсна характеристика та ряд Фур’є: імпульсна характеристика h(t) повністю описує лінійну стаціонарну систему: для y′ + a·y = b·x вона має вигляд h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоїда cos ωt проходить із коефіцієнтом підсилення |H(jω)| і фазою ∠H(jω), де H — перетворення Фур’є функції h. Періодичний сигнал є сумою гармонік на частотах k/T: прямокутна хвиля ±A має лише непарні гармоніки з амплітудами 4A/(kπ), трикутна хвиля з піком A має 8A/(π²k²), а послідовність імпульсів висотою A з коефіцієнтом заповнення D має середнє значення A·D і гармоніки (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Номер гармоніки

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 1500/500 = 3

Амплітуда

c3 = 4·2/(3π) = 0,8488

Відповідь

c3 = 0,8488
3.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.2) = 0,4482

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 35/(2·5) = 3,5
B = 35/((−2)·3) = −5,833
C = 35/((−5)·(−3)) = 2,333

Обернене перетворення

f(t) = 3,5 − 5,833·e−2t + 2,333·e−5t

Обчисліть

f(0,2) = 3,5 − 5,833·e−2·0,2 + 2,333·e−5·0,2 = 0,4482

Відповідь

f(0,2) = 0,4482
4.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.4) = 4,787

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 16/s
Y(s) = (6s² + 36s + 16)/(s(s + 2)(s + 4))

Простіші дроби

A = 16/(2·4) = 2
B = −32/((−2)·2) = 8
C = −32/((−4)·(−2)) = −4

Результат

y(t) = 2 + 8·e−2t − 4·e−4t
y(0,4) = 4,787

Відповідь

y(0,4) = 4,787

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

5.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,3897 s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 81 → ωₙ = 9 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9) = 0,4444

Результат

ωd = 9·√(1 − 0,4444²) = 8,062 rad/s → tp = π/ωd = 0,3897 s

Відповідь

tp = 0,3897 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 62,09 %

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = √(k/m) = √(800/8) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 24/(2·√(800·8)) = 0,15

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 62,09 %

Відповідь

%OS = 62,09 %
7.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = −19,77 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перемножте модулі

|G(j15)| = 27/(√(15² + 1²)·√(15² + 9²)) = 27/(15,03·17,49) = 0,1027

Результат

20·log₁₀(0,1027) = −19,77 dB

Відповідь

|G(jω)| = −19,77 dB
8.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 2,923 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(70/50) = 2,923 dB

Відповідь

GM = 2,923 dB

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