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−2tu(t). Вхід — східчастий сигнал x(t) = 4·u(t). Знайдіть вихід y(0,5) при t = 0,5 s.
h(t) = e−2tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y′(t) + 1·y(t) = 2·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 2 s, h(2).
y′ + 1y = 2xt = 2 s
h(2) =
3.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).
F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = 6 і y′(0) = 15 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,1).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 6y′(0) = 15t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Перехідна характеристикаСередня
Система має передатну функцію G(s) = 60/(s² + 4s + 30) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.
G(s) = 60/(s² + 4s + 30)
%OS = %
6.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 5 kg висить на пружині k = 400 N/m з в’язким демпфером c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 10 N. Знайдіть момент tp, коли зміщення найбільше.
m = 5 kgk = 400 N/mc = 13 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.Діаграми Боде та запасиСередня
RC-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 2,2 kΩ, C = 1 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 220 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.
R = 2,2 kΩC = 1 nFf = 220 kHz
|H| = dB
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 1080/(s(s + 20)). Знайдіть частоту зрізу за підсиленням ωc, де |L(jω)| = 1.
L(s) = 1080/(s(s + 20))
ωc = rad/s
3Розчини
1.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(0.5) = 1,264
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−2τ dτ = (4/2)·(1 − e−2t)
Обчисліть
y(0,5) = 2·(1 − e−1) = 1,264
Відповідь
y(0,5) = 1,264
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h(2) = 0,2707
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)|.
Передатна функція
H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 1)
Імпульсна характеристика
h(t) = 2·e−1tu(t)
h(2) = 2·e−2 = 0,2707
Відповідь
h(2) = 0,2707
3.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.3) = 0,2341
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
s²Y − 6s − 15 + 8(sY − 6) + 15Y = 0
Y(s) = (6s + 63)/((s + 3)(s + 5))
Простіші дроби
A = 45/2 = 22,5
B = 33/(−2) = −16,5
Результат
y(t) = 22,5·e−3t − 16,5·e−5t
y(0,1) = 6,661
Відповідь
y(0,1) = 6,661
Перевірка: y(0) = A + B = 6.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: %OS = 29,16 %
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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5,477) = 0,3651
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,232 = 29,16 %
Відповідь
%OS = 29,16 %
6.Перехідна характеристика
Відповідь: tp = 0,355 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 = √(k/m) = √(400/5) = 8,944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(400·5)) = 0,1453
Результат
ωd = 8,849 rad/s
tp = π/ωd = 0,355 s
Відповідь
tp = 0,355 s
7.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: |H| = −10,11 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 = 1/(RC) = 1/(2200·1 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 220000/72343 = 3,041
Коефіцієнт підсилення
|H| = 1/√(1 + 3,041²) = 0,3124
20·log₁₀(0,3124) = −10,11 dB
Відповідь
|H| = −10,11 dB
8.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: ωc = 29,97 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.