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)t10h(t)t1

Вхід x(t) = 10·e−1tu(t) подано на систему з h(t) = e−2tu(t). Знайдіть вихід y(1,5) при t = 1,5 s.

x(t) = 10·e−1tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
10cos(5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 10·cos(5t) подано на систему з h(t) = 5·e−5tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 10cos(5t)
φ = °
3.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (3s + 29)/(s² + 10s + 16). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−2t + B·e−8t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (3s + 29)/(s² + 10s + 16)
A =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 9 і y′(0) = 11 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 9y′(0) = 11t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2tp​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 196/(s² + 16s + 98) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 196/(s² + 16s + 98)
tp = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
+−10 VR = 19 ΩL = 10 mHC = 10 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 19 Ω, L = 10 mH і C = 10 µF підключають до сходинки 10 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть власну частоту незагасаючих коливань ωn в rad/s.

R = 19 ΩL = 10 mHC = 10 µFV = 10 V
ωn = rad/s
7.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 100 mHR = 220 Ωvout​

RL-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 220 Ω, L = 100 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 1,4 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 220 ΩL = 100 mHf = 1,4 kHz
|H| = 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) = 298/(s(s + 7)(s + 10)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 298/(s(s + 7)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Розчини

1.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(1.5) = 1,733

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).

Інтеграл згортки

y(t) = 10e−2t∫₀ᵗ e−(1 − 2)τ dτ = 10(e−2t − e−1t)/(−1)

Обчисліть

y(1,5) = 10·(0,04979 − 0,2231)/(−1) = 1,733

Відповідь

y(1,5) = 1,733
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −45 °

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) = 5/(5 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(5/5) = −45°

Відповідь

φ = −45°
3.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 3,833

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 + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)

Правило закривання

Помножте на (s + 2) і покладіть s = −2: доданок із B зникає.

A = (3s + 29)/(s + 8) |s = −2 = 23/6 = 3,833

Відповідь

A = 3,833
(B = −0,8333, тож f(t) = 3,833·e−2t − 0,8333·e−8t)
4.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = 10,07

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

s²Y − 9s − 11 + 4(sY − 9) + 3Y = 0
Y(s) = (9s + 47)/((s + 1)(s + 3))

Простіші дроби

A = 38/2 = 19
B = 20/(−2) = −10

Результат

y(t) = 19·e−t − 10·e−3t
y(0,25) = 10,07

Відповідь

y(0,25) = 10,07

Перевірка: y(0) = A + B = 9.

5.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,5388 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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 16 → ζ = 16/(2·9,899) = 0,8081

Результат

ωd = 9,899·√(1 − 0,8081²) = 5,831 rad/s → tp = π/ωd = 0,5388 s

Відповідь

tp = 0,5388 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 3162 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).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,01) = 0,3004

Результат

ωₙ = 3162 rad/s

Відповідь

ωn = 3162 rad/s
7.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −12,3 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.

Частота зрізу

ωc = R/L = 220/0,1 = 2200 rad/s
fc = 350,1 Hz → f/fc = 1400/350,1 = 3,998

Коефіцієнт підсилення

|H| = 1/√(1 + 3,998²) = 0,2426
20·log₁₀(0,2426) = −12,3 dB

Відповідь

|H| = −12,3 dB
8.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ω180 = 8,367 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.

Перетин за фазою

(ω/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Відповідь

ω180 = 8,367 rad/s

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