Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
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
Імпульс x(t) = 2 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 2 при 0 ≤ t < 3 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(3,5) при t = 3,5 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 3,5 s
y(3.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 4·x[n] і починає з нульового стану. Знайдіть відлік h[3] її імпульсної характеристики.
y[n] = 0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Перетворення ЛапласаСередня
F(s) = (5s + 38)/(s² + 12s + 35). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.
F(s) = (5s + 38)/(s² + 12s + 35)
A =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t) при y(0) = 2 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 4. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,25).
Система має передатну функцію G(s) = 60/(s² + 5s + 60) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.
G(s) = 60/(s² + 5s + 60)
σ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
Послідовне RLC-коло з R = 46 Ω, L = 100 mH і C = 47 µF підключають до сходинки 5 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть момент tp першого піку напруги в ms.
R = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 5 V
tp = ms
7.Діаграми Боде та запасиСередня
RC-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 10 kΩ, C = 22 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 7,2 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.
R = 10 kΩC = 22 nFf = 7,2 kHz
φ = °
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 54/(s(s + 2)(s + 6)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 54/(s(s + 2)(s + 6))
ω180 = rad/s
3Розчини
1.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(3.5) = 2
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).
Перекриття віддзеркаленого імпульсу
h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.
τ ∈ [0,5, 1] → довжина 0,5 s
Інтеграл
y(3,5) = 2·2·0,5 = 2
Відповідь
y(3,5) = 2
y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 4 і спадає до 0 при t = 4 s.
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h[3] = 0,5
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)|.
Ітерація
h[0] = 4
h[1] = 2
h[2] = 1
h[3] = 0,5
Результат
h[3] = 4·(0,5)3 = 0,5
Відповідь
h[3] = 0,5
3.Перетворення Лапласа
Відповідь: A = 6,5
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 + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)
Правило закривання
Помножте на (s + 5) і покладіть s = −5: доданок із B зникає.
A = (5s + 38)/(s + 7) |s = −5 = 13/2 = 6,5
Відповідь
A = 6,5
(B = −1,5, тож f(t) = 6,5·e−5t − 1,5·e−7t)
4.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.25) = 6,293
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 + 9s + 20)·Y(s) = 2s + 18 + 320/s
Y(s) = (2s² + 18s + 320)/(s(s + 4)(s + 5))
Простіші дроби
A = 320/(4·5) = 16
B = 280/((−4)·1) = −70
C = 280/((−5)·(−1)) = 56
Результат
y(t) = 16 − 70·e−4t + 56·e−5t
y(0,25) = 6,293
Відповідь
y(0,25) = 6,293
Перевірка: y(0) = A + B + C = 2.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: σ = −2,5
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 = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7,746) = 0,3227
Результат
σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5
Відповідь
σ = −2,5
6.Перехідна характеристика
Відповідь: tp = 7,857 ms
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).
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 = 1/(RC) = 1/(10000·2,2 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 7200/723,4 = 9,953
Фаза
φ = − atan(9,953) = −84,26°
Відповідь
φ = −84,26°
8.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: ω180 = 3,464 rad/s
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.