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
Система має імпульсну характеристику h(t) = e−5tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 4·u(t). Знайдіть вихід y(0,4) при t = 0,4 s.
h(t) = e−5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Вхід x(t) = 5·cos(40t) подано на систему з h(t) = 2·e−20tu(t). Знайдіть амплітуду Ym усталеного виходу.
h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(40t)
Ym =
3.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (5s + 6)/(s² + 4s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).
F(s) = (5s + 6)/(s² + 4s + 5)t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
Система підпорядковується рівнянню y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t) при y(0) = 1 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 10. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,2).
Система має передатну функцію G(s) = 63/(s² + 4s + 21) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.
G(s) = 63/(s² + 4s + 21)
tp = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 2,5 kg висить на пружині k = 5000 N/m з в’язким демпфером c = 134 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 10 N. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
m = 2,5 kgk = 5000 N/mc = 134 N·s/mF = 10 N
ζ =
7.Діаграми Боде та запасиСередня
RL-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 22 Ω, L = 22 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 800 Hz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.
R = 22 ΩL = 22 mHf = 800 Hz
φ = °
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 8 dB.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))GM = 8 dB
K =
3Розчини
1.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(0.4) = 0,6917
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).
Згортка зі східчастим сигналом
y(t) = 4·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (4/5)·(1 − e−5t)
Обчисліть
y(0,4) = 0,8·(1 − e−2) = 0,6917
Відповідь
y(0,4) = 0,6917
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: Ym = 0,2236
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)|.
Частотна характеристика
H(jω) = 2/(20 + jω)
Коефіцієнт підсилення на частоті входу
|H(j40)| = 2/√(20² + 40²) = 0,04472
Ym = 5·0,04472 = 0,2236
Відповідь
Ym = 0,2236
3.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.1) = 3,746
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).
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 + 4s + 3)·Y(s) = 1s + 4 + 120/s
Y(s) = (s² + 4s + 120)/(s(s + 1)(s + 3))
Простіші дроби
A = 120/(1·3) = 40
B = 117/((−1)·2) = −58,5
C = 117/((−3)·(−2)) = 19,5
Результат
y(t) = 40 − 58,5·e−t + 19,5·e−3t
y(0,2) = 2,806
Відповідь
y(0,2) = 2,806
Перевірка: y(0) = A + B + C = 1.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: tp = 0,7619 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).
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) = √(5000/2,5) = 44,72 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 134/(2·√(5000·2,5)) = 0,5993
Результат
ζ = 0,5993
Відповідь
ζ = 0,5993
7.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: φ = −78,75 °
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 = 22/0,022 = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 800/159,2 = 5,027
Фаза
φ = − atan(5,027) = −78,75°
Відповідь
φ = −78,75°
8.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: K = 105,1
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.