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)t1

Імпульс x(t) = 4 при 0 ≤ t < 2 s (в інших точках нуль) подано на систему з h(t) = e−5tu(t). Знайдіть вихід y(3,5) при t = 3,5 s, після закінчення імпульсу.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
x(t)t (ms)1020405−5

Трикутна хвиля лінійно зростає й спадає між −5 і +5 з періодом T = 20 ms. Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 150 Hz.

±5T = 20 msf = 150 Hz
c3 =
3.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (6s + 20)/(s² + 9s + 18). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (6s + 20)/(s² + 9s + 18)
A =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t) при y(0) = 6 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1

Система має передатну функцію G(s) = 7/(s² + 4s + 7) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 7/(s² + 4s + 7)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
+−12 VR = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 45 Ω, L = 20 mH і C = 10 µF підключають до сходинки 12 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть пікову напругу на конденсаторі vC,max.

R = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​R = 100 ΩL = 2,2 mHvout​

RL-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 100 Ω, L = 2,2 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 1,8 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 100 ΩL = 2,2 mHf = 1,8 kHz
φ = °
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 1500/(s(s + 20)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 1500/(s(s + 20))
PM = °

3Розчини

1.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(3.5) = 0,0004424

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).

Вихід наприкінці імпульсу

y(2) = (4/5)(1 − e−10) = 0,8

Спад після імпульсу

y(3,5) = 0,8·e−5·1,5 = 0,0004424

Відповідь

y(3,5) = 0,0004424
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: c3 = 0,4503

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 = 50 Hz → k = 3

Амплітуда

c3 = 8·5/(π²·3²) = 0,4503

Відповідь

c3 = 0,4503
3.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 0,6667

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).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

Правило закривання

Помножте на (s + 3) і покладіть s = −3: доданок із B зникає.

A = (6s + 20)/(s + 6) |s = −3 = 2/3 = 0,6667

Відповідь

A = 0,6667
(B = 5,333, тож f(t) = 0,6667·e−3t + 5,333·e−6t)
4.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 8,65

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 + 7s + 10)·Y(s) = 6s + 42 + 120/s
Y(s) = (6s² + 42s + 120)/(s(s + 2)(s + 5))

Простіші дроби

A = 120/(2·5) = 12
B = 60/((−2)·3) = −10
C = 60/((−5)·(−3)) = 4

Результат

y(t) = 12 − 10·e−2t + 4·e−5t
y(0,5) = 8,65

Відповідь

y(0,5) = 8,65

Перевірка: y(0) = A + B + C = 6.

5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 2,646 rad/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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,646) = 0,7559

Результат

ωₙ = 2,646 rad/s

Відповідь

ωn = 2,646 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: vC,max = 13,93 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,02) = 0,5031

Результат

%OS = 16,06 %
vC,max = 12·(1 + 0,1606) = 13,93 V

Відповідь

vC,max = 13,93 V
7.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = 76,03 °

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.

Частота зрізу

ωc = R/L = 100/0,0022 = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 1800/7234 = 0,2488

Фаза

φ = 90° − atan(0,2488) = 76,03°

Відповідь

φ = 76,03°
8.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 28,89 °

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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 400ω² − 2,25 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2,25 × 10⁶))/2 = 1313
ωc = 36,24 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(36,24/20) = −151,1°
PM = 180° + ∠L = 28,89°

Відповідь

PM = 28,89°

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