Задачи 7
Лекционный материал - лекции № 15, 16.
1.
Решить следующее неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка
при начальных условиях .
Решение.
Решение неоднородного дифференциального уравнения равно сумме общего решения
соответствующего однородного уравнения yc(t) (общего интеграла) и частного решения (частного
интеграла) yp(t).
Вначале находим общее решение однородного ДУ. Составляем характеристическое
уравнение , определяем его корни . Поскольку это характеристическое
уравнение имеет пару однократных комплексно сопряженных корней вида , то общий интеграл уравнения имеет
вид . Для данного случая .
Произвольные постоянные C1
и C2 определяем по начальным
условиям. Исходя из начальных условий, получаем следующую систему уравнений
для C1 и C2
из которой находим C1=3 и C2=-1. Поэтому общее решение ДУ .
Частное решение уравнения определяем соответственно его
правой части . При правой части уравнения
вида частное решение есть функция, отличающаяся
от x(t) только
числовыми коэффициентами. В данном случае a=0, b=3 и поскольку числа не
являются корнями характеристического уравнения, то частный интеграл записываем
в виде . Определяем производные первого и
второго порядков этой функции
.
Подставляем выражения в исходное
неоднородное ДУ и получаем равенство .
Это равенство будет тождеством при равенстве коэффициентов у в левой и правой части, т.е. когда
Решая эту систему, находим A = 1, B = -6. Следовательно,
.
Таким образом, решение данного уравнения
. График решения
2.
Является ли линейной и инвариантной во времени (стационарной) система с
уравнением выход – вход
а)
б) ?
Решение.
а) Для входных сигналов x1(t) и x2(t) выход соответственно . Если входной сигнал , то выход
. Система удовлетворяет принципу суперпозиции, следовательно, - линейная.
Положим вход системы в виде , при этом выход . Поскольку , то система – неинвариантная во времени (нестационарная).
б) Система с уравнением . Для входных сигналов x1(t) и x2(t) выходные сигналы и . Для линейной комбинации входных сигналов выход , поэтому система – линейная.
Система – стационарная, так как
3. Найти
импульсную характеристику (ИХ) системы с уравнением
.
Решение.
Для определения ИХ h(t) системы будем использовать метод, основанной на нахождении
переходной характеристики g(t)
системы и использовании простой связи между импульсной и переходной
характеристиками, т.е. . Переходная
характеристика системы будет определяться, как решение дифференциального уравнения
системы при правой части , где u(t) -функция единичного
скачка.
Запишем левую часть исходного уравнения с правой частью u(t)
.
(*)
Характеристическое уравнение . Его корень .
Следовательно, решение однородного уравнения (*) .
Найдем частное решение уравнения (*) при правой части . При этом исходим из теоретических
положений, определяющих, что для правой части ДУ в виде ,
где P(t) – многочлен,
частное решение yp(t) отличается от f(t) только числовыми коэффициентами – константами. Для f(t)=u(t) частное решение будет иметь вид . Подставим yp(t) в уравнение (*), получим уравнение
, отсюда .
Складывая общее решение однородного уравнения и частное решения уравнения (*),
находим решение в виде
. Для определения значения константы A используем нулевые начальные
условия, характерные для получения переходной характеристики, а именно:
t = 0- ga(0-)=0.
Поэтому . Следовательно, . Дифференцируя ga(t), получаем
промежуточную составляющую искомой импульсной характеристики.
Подставим выражение ha(t) в правую часть дифференциального уравнения системы для
определения окончательного вида ИХ системы
.
В этом выражении - это дельта-функция,
возникающая из-за наличия в правой части исходного уравнения системы
производной входного сигнала . При этом появляется
необходимость дифференцирования . Если в правой
части исходного уравнения не будет производной, то и дельта – функции в выражении
ИХ не будет.
4. Получить
дифференциальное уравнение, передаточную функцию, частотные характеристики,
нули и полюса электрической цепи
Решение.
, выразим ток в цепи через выходное напряжение ,
при этом , . Уравнение системы
.
Для указанных в условии номинальных значений элементов .
Передаточная функция: возьмем преобразование Лапласа от обеих частей уравнения
, .
Нуль передаточной функции z = 0, полюса
Частотная характеристика цепи
.
Амплитудно – частотная характеристика .
Фазо – частотная характеристика .
Графики
Вид АЧХ свидетельствует, что цепь представляет собой полосовой фильтр.
5.
Найти выходной сигнал RC – цепи первого
порядка, на вход которой поступает прямоугольный импульс x(t) с амплитудой А и длительностью tи.
Решение.
Импульсная характеристика цепи .
Запишем прямоугольный импульс в виде разности единичных ступенчатых функций
.
Выходной сигнал цепи
,
для ,
для
Второй, более простой вариант решения.
Переходная характеристика цепи , для
Для
График для A=5, τ = 0,5 , tи = 5
6. Вычислить
свертку сигналов
Решение.
Воспользуемся геометрической трактовкой свертки: зеркальное отображение, сдвиг, перемножение, интегрирование.
Если , то h(-τ) не будет перекрываться с x(τ) и их произведение и интеграл равен нулю. Когда площадь совместного перекрытия сигналов линейно увеличивается (уменьшается) и интеграл свертки линейно растет (убывает), в интервале площадь перекрытия функций не изменяется при смещении t и интеграл свертки – константа.
7.
Задана передаточная функция системы .
Найти область сходимости (ОС) передаточной функции, её полюса и нули и
импульсную характеристику системы.
Решение.
Найдем нули и полюса системы
Нули ,
Полюса
Полюсно - нулевое представление передаточной функции
.
Расположение полюсов, нулей и области сходимости передаточной функции
Разложим передаточную функцию на простые дроби для упрощения перехода во временную
область (вычисление обратного преобразования Лапласа от передаточной функции
.
Обратные преобразования Лапласа .
Поэтому импульсная характеристика системы
8.
Задана частотная характеристика системы .
Найти её импульсную характеристику.
Решение.
Запишем H(jω) в виде суммы элементарных дробей
Приравнивая коэффициенты при соответствующих степенях jω числителя H(jω), получаем
Решая, получим .
Отсюда
.
Обратное преобразование Фурье , поэтому импульсная характеристика
9. Задана система с передаточной функцией .
Найти полюса системы, определить отклик системы в установившемся состоянии на гармонический входной сигнал
Решение.
Полюса системы
Отклик системы H(s) на гармонический вход есть
.
При частотная характеристика для ω = 10
, поэтому
10. Система состоит из
последовательного соединения двух систем
Первая система имеет импульсную характеристику . Для второй системы известно, что входному сигналу соответствует выходной сигнал
. Найти
а) частотную характеристику всей системы,
б) дифференциальное уравнение системы,
в) Импульсную
характеристику всей системы.
Решение.
Для последовательного соединения систем частотная характеристика .
Частотная характеристика первой системы .
Для второй системы связь выхода и входа в частотной области .
Частотный спектр выходного сигнала для заданного y(t)
. Частотный спектр
входного сигнала системы 2 .
Найденные выражения спектров
позволяют определить частотную характеристику системы 2 .
Частотная характеристика всей системы .
Отсюда связь выход – вход в частотной области для всей системы
.
По теореме дифференцирования
преобразования Фурье
.
Применяя это свойство к каждому
члену предыдущего выражения, получаем дифференциальное уравнение системы
.
Для получения импульсной характеристики представим H(jω) в виде суммы простых дробей .
Беря обратное преобразование Фурье от каждой дроби частотной характеристики,
получаем импульсную характеристику системы
.
Задачи для самостоятельного решения
1. Определите,
является ли линейной и стационарной (инвариантной во времени) система с
уравнением
а) ,
б) ?
Ответ. а) Система линейная и нестационарная, б) система –
нелинейная и стационарная
4. Система имеет переходную характеристику вида
.
На
вход системы подается сигнал вида
Определите выходной сигнал системы.
Ответ. .
5. Определите передаточную функцию, полюса, АЧХ и ФЧХ RLC – цепи, изображенной на рис.
Ответ.
5. Дифференциальное уравнение фильтра нижних частот (ФНЧ)
второго порядка Баттерворта имеет вид
, где ωс –частота среза
фильтра.
Найдите частотную характеристику фильтра и его АЧХ, постройте график АЧХ.
Ответ.
6. Ниже представлены две диаграммы нулей и полюсов системы
Запишите выражения передаточной функции систем.
Ответ. а) , б) .
7. Передаточная
функция системы имеет вид
. Найдите полюса системы. Является
ли система устойчивой?
Определите отклик системы на входной сигнал .
Ответ. .
8.
Найдите выходной сигнал системы с импульсной характеристикой и входным сигналом .
Ответ.
9.
Для цепи, изображенной на рис., определите передаточную функцию,
частотные характеристики, импульсную характеристику. Операционный усилитель
считайте идеальным
Ответ.
10.
Линейная непрерывная стационарная система
имеет входной сигнал .
При этом выходной сигнал .
Постройте графики входного и выходного сигналов, определите преобразование Фурье (спектр) выходного сигнала y(t), найдите частотную характеристику системы.
Ответ.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.