Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.
1Công thức và phương pháp
Tích chập và hệ LTI
Tích chập rời rạc
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Tích chập liên tục
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Độ dài và tổng
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Bắt đầu, kết thúc và diện tích
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Bước nhảy vào e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Hệ bậc một
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Đệ quy bậc một
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Hàm sin qua h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Biên độ chuỗi Fourier
vuông ±A: 4A/(kπ), k lẻ; tam giác ±A: 8A/(π²k²), k lẻ; chuỗi xung: A·D và (2A/(kπ))|sin kπD|
Phương pháp
Vẽ phác cả hai tín hiệu và ghi chú nơi mỗi tín hiệu khác không.
Lật h và trượt nó: với mỗi thời điểm đầu ra, tìm khoảng mà cả hai tín hiệu chồng lên nhau.
Nhân và cộng (rời rạc) hoặc nhân và lấy tích phân (liên tục) chỉ trên phần chồng lên nhau đó.
Kiểm tra kết quả: đầu ra bắt đầu tại tổng các thời điểm bắt đầu, kết thúc tại tổng các thời điểm kết thúc, và diện tích hoặc tổng của nó là tích các diện tích hoặc tổng của đầu vào.
2Bài tập
1.Tích chập và hệ LTITrung bình
Tín hiệu x(t) chỉ khác không giữa t = 0 s và t = 2 s, và h(t) chỉ giữa t = 1 s và t = 3 s. Tìm khoảng thời gian D của y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: 0 … 2 sh: 1 … 3 s
D = s
2.Tích chập và hệ LTIKhó
Một sóng tam giác tăng và giảm tuyến tính giữa −1 và +1 với chu kỳ T = 1 ms. Tìm biên độ c5 của thành phần Fourier của nó tại 5000 Hz.
±1T = 1 msf = 5000 Hz
c5 =
3.Biến đổi LaplaceTrung bình
F(s) = (s + 17)/(s² + 10s + 24). Biến đổi ngược của nó có dạng f(t) = A·e−4t + B·e−6t. Tìm hệ số A bằng phân thức riêng.
F(s) = (s + 17)/(s² + 10s + 24)
A =
4.Biến đổi LaplaceKhó
Giải y″ + 11y′ + 30y = 0 với y(0) = 9 và y′(0) = 8 bằng biến đổi Laplace, và tìm y(0,2).
y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 9y′(0) = 8t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 21/(s² + 2s + 21) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 21/(s² + 2s + 21)
ts = s
6.Đáp ứng bướcKhó
Một vật khối lượng m = 2 kg treo trên lò xo k = 400 N/m có bộ giảm chấn nhớt c = 11 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Ở trạng thái cân bằng đứng yên, một lực không đổi F = 50 N đột ngột được đặt vào. Tìm thời điểm tp mà độ dịch chuyển lớn nhất.
m = 2 kgk = 400 N/mc = 11 N·s/mF = 50 N
tp = s
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
bộ lọc thông thấp RL trong hình có R = 10 Ω, L = 100 mH. Một tín hiệu vào hình sin 160 Hz được đặt vào. Tìm độ lệch pha φ của vout so với vin, theo độ.
R = 10 ΩL = 100 mHf = 160 Hz
φ = °
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 168/(s(s + 5)(s + 7)). Tìm tần số cắt pha ω180, tại đó ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 168/(s(s + 5)(s + 7))
ω180 = rad/s
3Dung dịch
1.Tích chập và hệ LTI
Đáp số: D = 4 s
Tích chập liên tục: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Lật h, trượt nó đến vị trí t và lấy tích phân của tích các phần chồng lên nhau. Với tín hiệu nhân quả, tích phân chạy từ 0 đến t. Một số kết quả hữu ích: diện tích của y bằng diện tích của x nhân diện tích của h; nếu x kéo dài từ t₁ đến t₂ và h từ t₃ đến t₄, thì y kéo dài từ t₁ + t₃ đến t₂ + t₄. Với h(t) = e−atu(t) và một bước nhảy có độ cao A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Bắt đầu và kết thúc
tstart = 0 + 1 = 1 s
tend = 2 + 3 = 5 s
Đáp số
D = 4 s
Đáp số
D = 4 s
2.Tích chập và hệ LTI
Đáp số: c5 = 0,03242
Đáp ứng xung và chuỗi Fourier: đáp ứng xung h(t) mô tả hoàn toàn một hệ LTI: với y′ + a·y = b·x nó là h(t) = b·e−atu(t), và với y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] nó là h[n] = b·aⁿu[n]. Một hàm cosin cos ωt đi qua với độ lợi |H(jω)| và pha ∠H(jω), trong đó H là biến đổi Fourier của h. Một tín hiệu tuần hoàn là tổng các họa âm tại k/T: sóng vuông ±A chỉ có các họa âm lẻ với biên độ 4A/(kπ), sóng tam giác có đỉnh A có 8A/(π²k²), và chuỗi xung có độ cao A và chu kỳ làm việc D có giá trị trung bình A·D và các họa âm (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.
Số thứ tự họa âm
f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 5
Biên độ
c5 = 8·1/(π²·5²) = 0,03242
Đáp số
c5 = 0,03242
3.Biến đổi Laplace
Đáp số: A = 6,5
Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Phân tích mẫu số thành nhân tử
s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)
Quy tắc che
Nhân với (s + 4) và đặt s = −4: số hạng B biến mất.
A = (s + 17)/(s + 6) |s = −4 = 13/2 = 6,5
Đáp số
A = 6,5
(B = −5,5, nên f(t) = 6,5·e−4t − 5,5·e−6t)
4.Biến đổi Laplace
Đáp số: y(0.2) = 6,845
Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Biến đổi phương trình
s²Y − 9s − 8 + 11(sY − 9) + 30Y = 0
Y(s) = (9s + 107)/((s + 5)(s + 6))
Phân thức riêng
A = 62/1 = 62
B = 53/(−1) = −53
Kết quả
y(t) = 62·e−5t − 53·e−6t
y(0,2) = 6,845
Đáp số
y(0,2) = 6,845
Kiểm tra: y(0) = A + B = 9.
5.Đáp ứng bước
Đáp số: ts = 4 s
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
So sánh với dạng chuẩn
Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,583) = 0,2182
Kết quả
ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s
Đáp số
ts = 4 s
6.Đáp ứng bước
Đáp số: tp = 0,2265 s
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
Tần số riêng và hệ số tắt dần
ωₙ = √(k/m) = √(400/2) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 11/(2·√(400·2)) = 0,1945
Kết quả
ωd = 13,87 rad/s
tp = π/ωd = 0,2265 s
Đáp số
tp = 0,2265 s
7.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: φ = −84,32 °
Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.
Tần số góc
ωc = R/L = 10/0,1 = 100 rad/s
fc = 15,92 Hz → f/fc = 160/15,92 = 10,05
Pha
φ = − atan(10,05) = −84,32°
Đáp số
φ = −84,32°
8.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: ω180 = 5,916 rad/s
Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.