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)t4h(t)t1

Вхід x(t) = 4·e−6tu(t) подано на систему з h(t) = e−5tu(t). Знайдіть вихід y(2) при t = 2 s.

x(t) = 4·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
5cos(30t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Вхід x(t) = 5·cos(30t) подано на систему з h(t) = 5·e−10tu(t). Знайдіть фазу φ усталеного виходу відносно входу, у градусах.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(30t)
φ = °
3.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−2−4−6−8−1024

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 35)/(s² + 4s + 20), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).

F(s) = (4s + 35)/(s² + 4s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 10 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 135/(s² + 6s + 45) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 135/(s² + 6s + 45)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 1000 N/mc = 36 N·s/mm = 8 kgF = 20 Nx(t)

Маса m = 8 kg висить на пружині k = 1000 N/m з в’язким демпфером c = 36 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 20 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 8 kgk = 1000 N/mc = 36 N·s/mF = 20 N
%OS = %
7.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 4

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 648/((s + 2)(s + 18)) за ω = 4 rad/s, у dB.

G(s) = 648/((s + 2)(s + 18))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 220/(s(s + 10)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 220/(s(s + 10))
PM = °

3Розчини

1.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: y(2) = 0,000157

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) = 4e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 4(e−5t − e−6t)/(1)

Обчисліть

y(2) = 4·(4,54 × 10⁻⁵ − 6,144 × 10⁻⁶)/(1) = 0,000157

Відповідь

y(2) = 0,000157
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи

Відповідь: φ = −71,57 °

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/(10 + jω)

Фаза на частоті входу

φ = −atan(30/10) = −71,57°

Відповідь

φ = −71,57°
3.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = 2,979

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).

Виділення повного квадрата

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

Зіставлення чисельника

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (27/4)·4/((s + 2)² + 4²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(4·cos 4t + 6,75·sin 4t)
f(0,4) = e−2·0,4·(4·cos(4·0,4) + 6,75·sin(4·0,4)) = 2,979

Відповідь

f(0,4) = 2,979
4.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 2,987

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

Y(s) = 300/(s(s + 5)(s + 6))

Простіші дроби

A = 300/(5·6) = 10
B = 300/((−5)·1) = −60
C = 300/((−6)·(−1)) = 50

Виведення

y(t) = 10 − 60·e−5t + 50·e−6t
y(0,2) = 2,987

Відповідь

y(0,2) = 2,987
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 1,333 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 = 45 → ωₙ = 6,708 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,708) = 0,4472

Результат

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Відповідь

ts = 1,333 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 52,44 %

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) = √(1000/8) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 36/(2·√(1000·8)) = 0,2012

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,44 %

Відповідь

%OS = 52,44 %
7.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = 17,91 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.

Перемножте модулі

|G(j4)| = 648/(√(4² + 2²)·√(4² + 18²)) = 648/(4,472·18,44) = 7,858

Результат

20·log₁₀(7,858) = 17,91 dB

Відповідь

|G(jω)| = 17,91 dB
8.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 37,04 °

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 + 100ω² − 48400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·48400))/2 = 175,6
ωc = 13,25 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(13,25/10) = −143°
PM = 180° + ∠L = 37,04°

Відповідь

PM = 37,04°

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