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
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −1 s і t = 0 s, а h(t) — лише між t = 3 s і t = 4 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 0 sh: 3 … 4 s
D = s
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y′(t) + 5·y(t) = 2·x(t). Знайдіть її імпульсну характеристику при t = 0,2 s, h(0,2).
y′ + 5y = 2xt = 0,2 s
h(0.2) =
3.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 34/(s² + 2s + 10), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(1,2).
F(s) = 34/(s² + 2s + 10)t = 1,2 s
f(1.2) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = −8 і y′(0) = 6 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −8y′(0) = 6t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Перехідна характеристикаСередня
Система має передатну функцію G(s) = 38,5/(s² + 8s + 77) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.
G(s) = 38,5/(s² + 8s + 77)
σ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 2 kg висить на пружині k = 500 N/m з в’язким демпфером c = 19 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 10 N. Знайдіть найбільше зміщення xmax у mm.
m = 2 kgk = 500 N/mc = 19 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
7.Діаграми Боде та запасиСередня
Знайдіть фазу ∠G(jω) функції G(s) = 37(s + 14)/(s(s + 9)) за ω = 3 rad/s, у градусах.
G(s) = 37(s + 14)/(s(s + 9))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 114/(s(s + 2)(s + 8)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.
L(s) = 114/(s(s + 2)(s + 8))
GM = dB
3Розчини
1.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: D = 2 s
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).
Початок і кінець
tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 0 + 4 = 4 s
Відповідь
D = 2 s
Відповідь
D = 2 s
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: h(0.2) = 0,7358
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 + 5)
Імпульсна характеристика
h(t) = 2·e−5tu(t)
h(0,2) = 2·e−1 = 0,7358
Відповідь
h(0,2) = 0,7358
3.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(1.2) = −1,511
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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²
Зіставлення чисельника
F(s) = (34/3)·3/((s + 1)² + 3²)
Обернене перетворення
f(t) = e−t·(11,33·sin 3t)
f(1,2) = e−1,2·(11,33·sin(3·1,2)) = −1,511
Відповідь
f(1,2) = −1,511
4.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.25) = −6,194
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 − (−8)s − 6 + 5(sY − (−8)) + 6Y = 0
Y(s) = (−8s − 34)/((s + 2)(s + 3))
Простіші дроби
A = −18/1 = −18
B = −10/(−1) = 10
Результат
y(t) = −18·e−2t + 10·e−3t
y(0,25) = −6,194
Відповідь
y(0,25) = −6,194
Перевірка: y(0) = A + B = −8.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: σ = −4
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 = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,775) = 0,4558
Результат
σ = −ζωₙ = −8/2 = −4
Відповідь
σ = −4
6.Перехідна характеристика
Відповідь: xmax = 27,44 mm
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) = √(500/2) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 19/(2·√(500·2)) = 0,3004
Результат
xst = F/k = 10/500 m = 20 mm
%OS = 37,18 %
xmax = 20·(1 + 0,3718) = 27,44 mm
Відповідь
xmax = 27,44 mm
7.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: ∠G(jω) = −96,34 °
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.
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.