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
Імпульс x(t) = 3 при 0 ≤ t < 1 s (в інших точках нуль) подано на систему з імпульсною характеристикою h(t) = 1 при 0 ≤ t < 4 s (в інших точках нуль). Знайдіть вихід y(2,5) при t = 2,5 s.
x(t) = 3, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 2,5 s
y(2.5) =
2.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Система описується рівнянням y[n] = 0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] і починає з нульового стану. Вхід — одиничний східчастий сигнал x[n] = u[n]. Знайдіть y[2].
y[n] = 0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 2)/(s² + 10s + 25) і обчисліть f(0,25).
F(s) = (s + 2)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 3y′ + 2y = 0 при y(0) = 4 і y′(0) = 3 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,5).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = 3t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Перехідна характеристикаСередня
Система має передатну функцію G(s) = 35,5/(s² + 8s + 71) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
G(s) = 35,5/(s² + 8s + 71)
ζ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 0,5 kg висить на пружині k = 100 N/m з в’язким демпфером c = 2 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 = 0,5 kgk = 100 N/mc = 2 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
7.Діаграми Боде та запасиСередня
Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 1666/((s + 14)(s + 17)) за ω = 10 rad/s, у dB.
G(s) = 1666/((s + 14)(s + 17))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 40/(s(s + 3)(s + 10)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 40/(s(s + 3)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Розчини
1.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y(2.5) = 3
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).
Перекриття віддзеркаленого імпульсу
h(t − τ) — це імпульс h, віддзеркалений і зсунутий так, що закінчується в τ = t.
τ ∈ [0, 1] → довжина 1 s
Інтеграл
y(2,5) = 3·1·1 = 3
Відповідь
y(2,5) = 3
y(t) — трапеція: вона зростає від 0, тримається на 3 і спадає до 0 при t = 5 s.
2.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: y[2] = 0,875
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)|.
Ітерація
y[0] = 0,5
y[1] = 0,75
y[2] = 0,875
Результат
y[2] = 0,5·(1 − (0,5)3)/(1 − 0,5) = 0,875
Відповідь
y[2] = 0,875
3.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.25) = 0,07163
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 + 25 = (s + 5)²
Простіші дроби
s + 2 = 1(s + 5) + −3
F(s) = 1/(s + 5) − 3/(s + 5)²
Обернене перетворення
f(t) = e−5t − 3·t·e−5t
f(0,25) = (1 − 3·0,25)·e−5·0,25 = 0,07163
Відповідь
f(0,25) = 0,07163
4.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.5) = 4,097
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 − 4s − 3 + 3(sY − 4) + 2Y = 0
Y(s) = (4s + 15)/((s + 1)(s + 2))
Простіші дроби
A = 11/1 = 11
B = 7/(−1) = −7
Результат
y(t) = 11·e−t − 7·e−2t
y(0,5) = 4,097
Відповідь
y(0,5) = 4,097
Перевірка: y(0) = A + B = 4.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: ζ = 0,4747
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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,426) = 0,4747
Результат
ζ = 0,4747
Відповідь
ζ = 0,4747
6.Перехідна характеристика
Відповідь: xmax = 163,8 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) = √(100/0,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 2/(2·√(100·0,5)) = 0,1414
Результат
xst = F/k = 10/100 m = 100 mm
%OS = 63,84 %
xmax = 100·(1 + 0,6384) = 163,8 mm
Відповідь
xmax = 163,8 mm
7.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: |G(jω)| = 13,82 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.
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.