Расчет переходной и импульсной характеристик цепи. Учебное пособие: Переходные и импульсные характеристики электрических цепей Переходная и импульсная характеристики цепи
Импульс является функцией без какой-либо поддержки времени. С дифференциальными уравнениями используется для получения естественного отклика системы. Естественным ее ответом является реакция на начальное состояние. Форсированный отклик системы - это ответ на вход, пренебрегая ее первичным формированием.
Поскольку импульсная функция не имеет какой-либо поддержки времени, можно описать любое начальное состояние, возникающее из соответствующей взвешенной величины, которая равна массе тела, произведенной на скорость. Любая произвольная входная переменная может быть описана как сумма взвешенных импульсов. В результате, для линейной системы описывается как сумма «естественных» ответов на состояния, представленные рассматриваемыми величинами. Это то, что объясняет интеграл.
Когда вычисляется импульсная характеристика системы, по существу, производится естественный отклик. Если исследуется сумма или интеграл свертки, в основном решается этот вход в ряд состояний, а затем изначально сформированный ответ на эти состояния. Практически для импульсной функции можно привести пример удара в боксе, который длится очень мало, и после этого не будет следующего. Математически он присутствует только в начальной точке реалистической системы, имеющей высокую (бесконечную) амплитуду в этом пункте, а затем постоянно гаснет.
Импульсная функция определяется следующим образом: F(X)=∞∞ x=0=00, где ответ представляет собой характеристику системы. Рассматриваемая функция на самом деле является областью прямоугольного импульса при x=0, ширина которого считается равной нулю. При x=0 высоты h и его ширины 1/h это фактическое начало. Теперь, если ширина становится незначительной, то есть почти стремится к нулю, это делает соответствующую высоту h величины, стремящейся к бесконечности. Это определяет функцию как бесконечно высокую.
Ответ конструкции
Импульсная характеристика следующая: всякий раз, когда системе (блоку) или процессору присваивается входной сигнал, он изменяет или обрабатывает его, чтобы дать желаемое выходное предупреждение в зависимости от функции передачи. Отклик системы помогает определить основные положения, конструкцию и реакцию для любого звука. Дельта-функция является обобщенной, которая может быть определена как предел класса указанных последовательностей. Если принимать импульсного сигнала, то разумеется, что оно является спектром постоянного тока в частотной области. Это означает, что все гармоники (в диапазоне от частоты до +бесконечности) способствуют рассматриваемому сигналу. Спектр частотной характеристики указывает, что эта система обеспечивает такой порядок усиления или ослабления этой частоты или подавляет эти колеблющиеся составляющие. Фазовый говорит о сдвиге, предоставляемом для разных гармоник частоты.
Таким образом, импульсные характеристики сигнала указывают на то, что он содержит в себе весь диапазон частот, поэтому используется для тестирования системы. Потому что, если применять какой-либо другой метод оповещения, то у него не будет всех необходимых сконструированных деталей, следовательно, реакция останется неизвестной.
Реакция устройств на внешние факторы
При обработке оповещения импульсная характеристика представляет собой ее выход, когда он представлен кратким входным сигналом, называемым импульсом. В более общем плане является реакцией любой динамической системы в ответ на некоторые внешние изменения. В обоих случаях импульсная характеристика описывает функцию времени (или, возможно, как некоторой другой независимой переменной, которая параметризирует динамическое поведение). Она имеет бесконечную амплитуду только при t=0 и нулевую всюду, и, как следует из названия, ее импульс i, e действует в течение короткого промежутка.
При применении любая система имеет функцию передачи от входа к выходу, которая описывает ее как фильтр, влияющий на фазу и указанную выше величину в частотном диапазоне. Эта частотная характеристика с использованием импульсных методов, измеренная или рассчитанная в цифровом виде. Во всех случаях динамическая система и ее характеристика могут быть реальными физическими объектами или математическими уравнениями, описывающими такие элементы.
Математическое описание импульсов
Поскольку рассматриваемая функция содержит все частоты, критерии и описание определяют отклик линейной временной инвариантной конструкции для всех величин. Математически как описывается импульс, зависит от того, смоделирована ли система дискретным или непрерывным временем. Его можно моделировать как дельта-функцию Дирака для систем непрерывного времени или как величину Кронекера для конструкции с прерывным действием. Первая представляет собой предельный случай импульса, который был очень коротким по времени, сохраняя свою площадь или интеграл (тем самым давая бесконечно высокий пик). Хотя это невозможно в любой реальной системе, это полезная идеализация. В теории анализа Фурье такой импульс содержит равные части всех возможных частот возбуждения, что делает его удобным тестовым зондом.
Любая система в большом классе, известная как линейная, инвариантная по времени (LTI), полностью описывается импульсной характеристикой. То есть для любого входа выход можно рассчитать в терминах ввода и непосредственной концепции рассматриваемой величины. Импульсное описание линейного преобразования представляет собой образ дельта-функции Дирака при преобразовании, аналогичный фундаментальному решению дифференциального оператора с частными производными.
Особенности импульсных конструкций
Обычно проще анализировать системы, используя передаточные импульсные характеристики, а не ответы. Рассматриваемая величина представляет собой преобразование Лапласа. Усовершенствование ученым выходного сигнала системы может быть определено умножением передаточной функции на это действие ввода в комплексной плоскости, также известной как частотная область. Обратное преобразование Лапласа этого результата даст выход во временной области.
Для определения выхода непосредственно во временной области требуется свертка входа с импульсной характеристикой. Когда передаточная функция и преобразование Лапласа ввода известны. Математическая операция, применяющаяся на двух элементах и реализующая третий, может быть более сложной. Некоторые предпочитают альтернативу - умножение двух функций в частотной области.
Реальное применение импульсной характеристики
В практических системах невозможно создать идеальный импульс для ввода данных для тестирования. Поэтому короткий сигнал иногда используется в качестве приближения величины. При условии, что импульс достаточно короткий, по сравнению с откликом, результат будет близок к истинному, теоретическому. Однако во многих системах вхождение с очень коротким сильным импульсом может привести конструкцию в нелинейный режим. Поэтому вместо этого она управляется псевдослучайной последовательностью. Таким образом, импульсная переходная характеристика рассчитывается из входных и выходных сигналов. Отклик, рассматриваемый как функция Грина, можно рассматривать как «влияние» - как точка входа влияет на выход.
Характеристики импульсных устройств
Колонки являются приложением, которое демонстрирует саму идею (была разработка тестирования импульсного отклика в 1970-х годах). Громкоговорители страдают от неточности фазы, дефекта, в отличие от других измеренных свойств, таких как частотная характеристика. Этот недоработанный критерий вызван (слегка) задержанными колебаниями/октавами, которые в основном являются результатом пассивных кросс-передач (особенно фильтров более высокого порядка). Но также вызваны резонансом, внутренним объемом или вибрированием панелей корпуса. Отклик - конечная импульсная характеристика. Его измерение обеспечило инструмент для использования в уменьшении резонансов за счет применения улучшенных материалов для конусов и корпусов, а также изменения кроссовера динамиков. Необходимость ограничить амплитуду для поддержания линейности системы привела к использованию входов, таких как псевдослучайные последовательности максимальной длины, и к помощи компьютерной обработки для получения остальных сведений и данных.
Электронное изменение
Анализ импульсного отклика является основным аспектом радиолокации, ультразвуковой визуализации и многих областей цифровой обработки сигналов. Интересным примером могут быть широкополосные интернет-соединения. DSL-услуги используют методы адаптивного выравнивания, чтобы помочь компенсировать искажения и помехи сигнала, введенные медными телефонными линиями, используемыми для доставки услуги. В их основе лежат устаревшие цепи, импульсная характеристика которых оставляет желать лучшего. На смену пришли модернизированные покрытия для использования Интернета, телевидения и других устройств. Эти усовершенствованные конструкции способны улучшать качество, особенно с учетом того, что современный мир - это сплошное интернет-соединение.
Системы контроля
В теории управления импульсная характеристика представляет собой отклик системы на вход дельта Дирака. Это полезно при анализе динамических конструкций. Преобразование Лапласа дельта-функции равно единице. Поэтому импульсная характеристика эквивалентна обратному преобразованию Лапласа передаточной функции системы и фильтру.
Акустические и звуковые приложения
Здесь импульсные ответы позволяют записывать звуковые характеристики местоположения, например, концертного зала. Доступны различные пакеты, содержащие оповещения от конкретных мест, от небольших комнат до крупных концертных залов. Эти импульсные отклики могут затем использоваться в приложениях реверберации свертки, чтобы позволить акустическим характеристикам конкретного местоположения применяться к целевому звуку. То есть по факту происходит анализ, разделение различных оповещений и акустики через фильтр. Импульсная характеристика в данном случае способна дать возможность выбора пользователю.
Финансовая составляющая
В современном макроэкономическом моделировании функции импульсного ответа используются для описания того, как она реагирует со временем на экзогенные величины, которые научные исследователи обычно называют потрясениями. И часто имитируются в контексте векторной авторегрессии. Импульсы, которые часто считаются экзогенными, с макроэкономической точки зрения включают изменения в государственных расходах, ставках налогов и других параметрах финансовой политики, изменения денежной базы или других параметров капитала и кредитной политики, перемены производительности или других технологических параметров; преобразование в предпочтениях, такие как степень нетерпения. Функции импульсного отклика описывают реакцию эндогенных макроэкономических переменных, таких как выход, потребление, инвестиции и занятость во время шока и в последующие моменты времени.
Конкретнее об импульсе
По существу дела, ток и импульсная характеристика взаимосвязаны. Потому что каждый сигнал может быть смоделирован как серия. Это происходит ввиду наличия определенных переменных и электричества или генератора. Если система является как линейной, так и временной, реакция прибора на каждый из откликов может быть вычислена с использованием рефлексов рассматриваемой величины.
18. Реакция линейных цепей на единичные функции. Переходная и импульсная характеристики цепи, их связь.
Единичная ступенчатая функция (функция включения) 1 (t) определяется следующим образом:
График функции 1 (t) показан на рис. 2.1.
Функция 1 (t) равна нулю при всех отрицательных значениях аргумента и единице при t ³ 0 . Введем в рассмотрение также смещенную единичную ступенчатую функцию
Такое воздействие включается в момент времени t = t ..
Напряжение в виде единичной ступенчатой функции на входе цепи будет при подключении источника постоянного напряжения U 0 =1 В при t = 0 с помощью идеального ключа (рис. 2.3).
Единичная импульсная функция (d - функция, функция Дирака) определяется как производная от единичной ступенчатой функции. Поскольку в момент времени t = 0 функция 1 (t ) претерпевает разрыв, то ее производная не существует (обращается в бесконечность). Таким образом, единичная импульсная функция
Это особая функция или математическая абстракция, но ее широко используют при анализе электрических и других физических объектов. Подобного рода функции рассматриваются в математической теории обобщенных функций.
Воздействие в виде единичной импульсной функции можно рассматривать как ударное воздействие (достаточно большая амплитуда и бесконечно малое время воздействия). Вводится также единичная импульсная функция, смещенная на время t = t
Единичную импульсную функцию принято графически изображать в виде вертикальной стрелки при t = 0, а смещенную при - t = t (рис. 2.4).
Если взять интеграл от единичной импульсной функции, т.е. определить площадь, ограниченную ею, то получим следующий результат:
Рис.
2.4.
Очевидно, что интервал интегрирования может быть любым, лишь бы туда попала точка t = 0. Интеграл от смещенной единичной импульсной функции d (t-t ) также равен 1 (если в пределы интегрирования попадает точка t = t). Если взять интеграл от единичной импульсной функции умноженной на некоторый коэффициент А 0 , то очевидно результат интегрирования будет равен этому коэффициенту. Следовательно, коэффициент А 0 перед d (t ) определяет площадь, ограниченную функцией А 0 d (t ).
Для физической интерпретации d - функции целесообразно ее рассматривать как предел, к которому стремиться некоторая последовательность обычных функции, например
Переходная и импульсная характеристики
Переходной характеристикой h(t) называется реакция цепи на воздействие в виде единичной ступенчатой функции 1 (t ). Импульсной характеристикой g(t) называется реакция цепи на воздействие в виде единичной импульсной функции d (t ). Обе характеристики определяются при нулевых начальных условиях.
Переходная и импульсная функции характеризуют цепь в переходном режиме, так как они являются реакциями на скачкообразные, т.е. довольно тяжелые для любой системы воздействия. Кроме того, как будет показано ниже с помощью переходной и импульсной характеристик может быть определена реакция цепи на произвольное воздействие. Переходная и импульсная характеристики связаны между собой также как связаны между собой соответствующие воздействия. Единичная импульсная функция является производной от единичной ступенчатой функции (см. (2.2)), поэтому импульсная характеристика является производной от переходной характеристики и при h (0) = 0 . (2.3)
Это утверждение следует из общих свойств линейных систем, которые описываются линейными дифференциальными уравнениями, в частности, если к линейной цепи с нулевыми начальными условиями вместо воздействия прикладывается его производная, то реакция будет равна производной от исходной реакции.
Из двух рассматриваемых характеристик наиболее просто определяется переходная, так как она может быть вычислена по реакции цепи на включение на входе источника постоянного напряжения или тока. Если такая реакция известна, то для получения h(t) достаточно разделить ее на амплитуду входного постоянного воздействия. Отсюда следует, что переходная (также как и импульсная) характеристика может иметь размерность сопротивления, проводимости или быть безразмерной величиной в зависимости от размерности воздействия и реакции.
Пример . Определить переходную h(t) и импульсную g (t ) характеристики последовательной RC-цепи.
Воздействием является входное напряжение u 1 (t ), а реакцией - напряжение на емкости u 2 (t ). Согласно определению переходной характеристики ее следует определять как напряжение на выходе, когда на вход цепи подключается источник постоянного напряжения U 0
Такая
задача была решена в разделе 1.6, где
получено u
2
(t
)
= u
C
(t
)
=
Таким
образом,h(t)
= u
2
(t
)
/ U
0
=
Импульсную
характеристику определим по (2.3)
.
3. Импульсные характеристики электрических цепей
Импульсной характеристикой цепи называют отношение реакции цепи на импульсное воздействие к площади этого воздействия при нулевых начальных условиях.
По определению ,
где – реакция цепи на импульсное воздействие;
– площадь импульса воздействия.
По известной импульсной характеристике цепи можно найти реакцию цепи на заданное воздействие: .
В качестве функции воздействия часто используется единичное импульсное воздействие называемое также дельта-функцией или функцией Дирака.
Дельта-функция – это функция всюду равная нулю, кроме , а площадь ее равна единице ():
.
К понятию дельта-функция можно прийти, рассматривая предел прямоугольного импульса высотой и длительностью , когда (рис. 3):
Установим связь между передаточной функцией цепи и ее импульсной характеристикой, для чего используем операторный метод.
По определению:
Если воздействие (оригинал) рассматривать для наиболее общего случая в виде произведения площади импульса на дельта-функцию, т. е. в виде , то изображение этого воздействия согласно таблицы соответствий имеет вид:
.
Тогда с другой стороны, отношение преобразованной по Лапласу реакции цепи к величине площади импульса воздействия, представляет собой операторную импульсную характеристику цепи:
.
Следовательно, .
Для нахождения импульсной характеристики цепи необходимо применить обратное преобразование Лапласа:
, т.
е. фактически
.
Обобщая формулы, получим связь между операторной передаточной функцией цепи и операторными переходной и импульсной характеристиками цепи:
Таким образом, зная одну из характеристик цепи, можно определить любые другие.
Произведем тождественное преобразование равенства, прибавив к средней части .
Тогда будем иметь .
Поскольку
представляет собой изображение
производной переходной характеристики,
то исходное равенство можно переписать
в виде:
Переходя в область оригиналов, получаем формулу, позволяющую определить импульсную характеристику цепи по известной ее переходной характеристике:
Если , то .
Обратное соотношение между указанными характеристиками имеет вид:
.
По передаточной функции легко установить наличие в составе функции слагаемого .
Если степени числителя и знаменателя одинаковы, то рассматриваемое слагаемое будет присутствовать. Если же функция является правильной дробью, то этого слагаемого не будет.
Пример: определить импульсные характеристики для напряжений и в последовательной -цепи, показанной на рисунке 4.
Определим :
По таблице соответствий перейдем к оригиналу:
.
График этой функции показан на рисунке 5.
Рис. 5
Передаточная функция :
Согласно таблице соответствий имеем:
.
График полученной функции показан на рисунке 6.
Укажем, что такие же выражения можно было получить с помощью соотношений, устанавливающих связь между и.
Импульсная характеристика по физическому смыслу отражает собой процесс свободных колебаний и по этой причине можно утверждать, что в реальных цепях всегда должно выполняться условие:
4. Интегралы свертки (наложения)
Рассмотрим порядок определения реакции линейной электрической цепи на сложное воздействие, если известна импульсная характеристика этой цепи . Будем считать, что воздействие представляет собой кусочно-непрерывную функцию , показанную на рисунке 7.
Пусть требуется найти значение реакции в некоторый момент времени . Решая эту задачу, представим воздействие в виде суммы прямоугольных импульсов бесконечно малой длительности, один из которых, соответствующий моменту времени , показан на рисунке 7. Этот импульс характеризуется длительностью и высотой .
Из ранее рассмотренного материала известно, что реакцию цепи на короткий импульс можно считать равной произведению импульсной характеристики цепи на площадь импульсного воздействия. Следовательно, бесконечно малая составляющая реакции, обусловленная этим импульсным воздействием, в момент времени будет равной:
поскольку площадь импульса равна , а от момента его приложения до момента наблюдения проходит время .
Используя принцип наложения, полную реакцию цепи можно определить как сумму бесконечно большого числа бесконечно малых составляющих , вызванных последовательностью бесконечно малых по площади импульсных воздействий, предшествующих моменту времени .
Таким образом:
.
Эта формула верна для любых значений , поэтому обычно переменную обозначают просто . Тогда:
.
Полученное соотношение называют интегралом свертки или интегралом наложения. Функцию, которая находится в результате вычисления интеграла свертки, называют сверткой и .
Можно найти другую форму интеграла свертки, если в полученном выражении для осуществить замену переменных:
.
Пример: найти напряжение на емкости последовательной -цепи (рис. 8), если на входе действует экспоненциальный импульс вида:
цепи
связан: с изменением энергетического состояния... (+0),. Uc(-0) = Uc(+0). 3. Переходная
характеристика
электрической
цепи
это: Отклик на единичное ступенчатое...
Исследование цепи второго порядка. Поиск входной и предаточной характеристики
Курсовая работа >> Коммуникации и связь3. Переходная и импульсная характеристики цепи Лаплас образ переходной характеристики имеет вид. Для получения переходной характеристики во... А., Золотницкий В. М., Чернышев Э. П. Основы теории электрических цепей .-СПб.:Лань, 2004. 2. Дьяконов В. П. MATLAB ...
Основные положения теории переходных процессов
Реферат >> ФизикаЛапласа; – временной, использующий переходные и импульсные характеристики ; – частотный, базирующийся на... классического метода анализа переходных колебаний в электрических цепях Переходные процессы в электрических цепях описываются уравнениями, ...
Импульсная
(весовая) характеристика или импульсная
функция
цепи
–
это ее обобщенная характеристика,
являющаяся временной функцией, численно
равная реакции цепи на единичное
импульсное воздействие на ее входе при
нулевых начальных условиях (рис. 13.14);
другими словами, это отклик цепи,
свободной от начального запаса энергии
на дельта-функцию Дирана 
на ее входе.
|
|
Функцию 
можно определить, рассчитав переходную
или передаточную 
функцию цепи.
Расчет функции 
с использованием переходной функции
цепи. Пусть при входном воздействии 
реакцией линейной электрической цепи
является 
.
Тогда в силу линейности цепи при входном
воздействии, равном производной 
,
реакция цепи будет равна производной
.
Как отмечалось,
при 
,
реакция цепи 
,
а если 
,
то реакция цепи будет 
,
т.е. импульсная функция
Согласно свойству
выборки 
произведение
.
Таким образом, импульсная функция цепи
.
(13.8)
Если 
,
то импульсная функция имеет вид
.
(13.9)
Следовательно, размерность импульсной характеристики равна размерности переходной характеристики, поделенной на время.
Расчет функции 
с использованием передаточной функции
цепи. Согласно выражению (13.6), при
воздействии на вход функции 
,
откликом функции будет переходная
функция 
вида:
.
С другой стороны,
известно, что изображение производной
функции по времени 
,
при 
,
равно произведению 
.
Откуда 
,
или 
,
(13.10)
т.е. импульсная
характеристика
цепи равна обратному преобразованию
Лапласа ее передаточной
функции.
Пример. Найдем импульсную функцию цепи, схемы замещения которой представлены на рис. 13.12, а ; 13.13.
Решение
Переходная и передаточная функции этой цепи били получены ранее:
Тогда, согласно выражению (13.8)
где 
.
|
|
График импульсной
характеристики 
цепи представлен на рис. 13.15.
Выводы
Импульсная
характеристика 
введена по тем же двум причинам, что и
переходная характеристика 
.
1. Единичное
импульсное воздействие 
– скачкообразное и потому довольно
тяжелое для любой системы или цепи
внешнее воздействие. Следовательно,
важно знать реакцию системы или цепи
именно при таком воздействии, т.е.
импульсную характеристику 
.
2. При помощи
некоторого видоизменения интеграла
Дюамеля можно, зная
вычислить реакцию системы или цепи на
любое внешнее возмущение (см. далее пп.
13.4, 13.5).
4. Интеграл наложения (дюамеля).
Пусть произвольный
пассивный двухполюсник (рис. 13.16, а
)
подключается к источнику непрерывно
изменяющегося с момента
напряжения
(рис. 13.16,б
).
|
|
Требуется найти
ток
(или напряжение) в любой ветви двухполюсника
после замыкания ключа.
Задачу решим в два
этапа. Сначала искомую величину найдем
при включении двухполюсника на единичный
скачок напряжения, который задается
единичной ступенчатой функцией
.
Известно, что
реакцией цепи на единичный скачок
является переходная
характеристика (функция)
.
Например, для
–
цепи переходная функция по току
(см. п.2.1), для
–
цепи переходная функция по напряжению
.
На втором этапе
непрерывно изменяющееся напряжение
заменим ступенчатой функцией с
элементарными прямоугольными скачками
(см. рис. 13.16б
).
Тогда процесс изменения напряжения
можно представить как включение при
постоянного напряжения
,
а затем как включение элементарных
постоянных напряжений
,
смещенных относительно друг друга на
интервалы времени
и имеющих знак плюс для возрастающей и
минус для падающей ветви заданной кривой
напряжения.
Составляющая
искомого тока в момент
от постоянного напряжения
равна:
.
Составляющая
искомого тока от элементарного скачка
напряжения
,
включаемого в момент времени
равна:
.
Здесь аргументом
переходной функции является время
,
поскольку элементарный скачок напряжения
начинает действовать на время
позднее замыкания ключа или, иначе
говоря, поскольку промежуток времени
между моментом
начала действия этого скачка и моментом
времени
равен
.
Элементарный скачок напряжения
,
где
– масштабный коэффициент.
Поэтому искомая составляющая тока
Элементарные
скачки напряжения включаются на интервале
времени от
до момента
,
для которого определяется искомый ток.
Поэтому, суммируя составляющие тока от
всех скачков, переходя к пределу при
,
и учитывая составляющую тока от начального
скачка напряжения
,
получаем:
Последняя формула для определения тока при непрерывном изменении приложенного напряжения
(13.11)
называется интегралом наложения (суперпозиции) или интегралом Дюамеля (первой формой записи этого интеграла).
Аналогично решается
задача при подключении цепи и источнику
тока. Согласно этому интегралу реакция
цепи, в общем виде,
в некоторый момент
после
начала воздействия
определяется всей той частью воздействия,
которая имела место до момента времени
.
Заменой переменных и интегрированием по частям можно получить другие формы записи интеграла Дюамеля, эквивалентные выражению (13.11):
Выбор формы записи
интеграла Дюамеля определяется удобством
расчета. Например, в случае, если
выражается экспоненциальной функцией,
удобной оказывается формула (13.13) или
(13.14), что обуславливается простотой
дифференцирования экспоненциальной
функции.
При
или
удобно применять форму записи, в которой
слагаемое перед интегралом обращается
в нуль.
Произвольное
воздействие
может быть представлено также в виде
суммы последовательно включаемых
импульсов, как это изображено на рис.
13.17.
|
|
При бесконечно
малой длительности импульсов
получим формулы интеграла Дюамеля,
аналогичные (13.13) и (13.14).
Эти же формулы
можно получить из соотношений (13.13) и
(13.14), заменив а них производную функцию
импульсной функцией
.
Вывод.
Таким образом, на
основе формул интеграла Дюамеля (13.11) –
(13.16) и временных характеристик цепи
и
могут быть определены временные функции
откликов цепи
на произвольные воздействия
.
Импульсной характеристикой (весовой функцией) называется реакция системы на единичный бесконечный импульс (дельта-функцию или функцию Дирака) при нулевых начальных условиях. Дельта-функция определяется равенствами
, .
Это обобщенная функция – математический объект, представляющий собой идеальный сигнал, никакое реальное устройство не способно его воспроизвести. Дельта-функцию можно рассматривать как предел прямоугольного импульса единичной площади с центром в точке при стремлении ширины импульса к нулю.
Теперь нам нужно проанализировать пределы этой суммы. Итак, мы должны использовать интегралы для правильного понимания этого типа системы. Для этого нам нужна свертка! Предположим для этой задачи, что \\ больше нуля. Попробуйте выполнить следующие две функции.
,
где – передаточная функция системы, которая является преобразованием Лапласа для. Импульсная характеристика системы с одним интегратором стремится к постоянной величине, равной статическому коэффициенту передачи системы без интегратора. Для системы с двумя интеграторами импульсная характеристика асимптотически стремится к прямой, с тремя интеграторами – к параболе и т.д.
Соответствующим дискретным сигналом является последовательность. Рассмотрим преобразование Фурье непрерывного сигнала. Аппроксимация преобразования Фурье получается из дискретного сигнала методом прямоугольников. 
Когда сумма остановлена в конечном ранге, мы находим.
Линейная система с конечной импульсной характеристикой
Эта система называется причинной, поскольку состояние выхода зависит только от предыдущих состояний входа. Дискретный сигнал, определяемый. 
Для входного импульса линейная система выводит сигнал. 
Следует отметить, что выходной сигнал является результатом свертки входного сигнала импульсной характеристикой.
8. Временной метод анализа переходных процессов в линейных электрических цепях
8.1. Переходные и импульсные характеристики электрических цепей
В основе временного метода лежит понятие переходной и импульсной характеристик цепи. Переходной характеристикой цепи называют реакцию цепи на воздействие в форме единичной функции (7.19). Обозначается переходная характеристика цепи g (t ). Импульсной характеристикой цепи называют реакцию цепи на воздействие единичной импульсной функции (d-функции) (7.21). Обозначается импульсная характеристика h (t ). Причем, g (t ) и h (t ) определяются при нулевых начальных условиях в цепи. В зависимости от типа реакции и типа воздействия (ток или напряжение) переходные и импульсные характеристики могут быть безразмерными величинами, либо имеют размерность А/В или В/А.
Эта система представляет собой фильтр с конечным импульсным откликом. 
Который является дискретным преобразованием Фурье импульсной характеристики. Рассмотрим в качестве простого примера фильтр, реализующий среднее арифметическое двух последовательных значений ввода.
Использование понятий переходной и импульсной характеристик цепи позволяет свести расчет реакции цепи от действия непериодического сигнала произвольной формы к определению реакции цепи на простейшее воздействие типа единичной 1(t ) или импульсной функции d(t ), с помощью которых аппроксимируется исходный сигнал. При этом результирующая реакция линейной цепи находится (с использованием принципа наложения) как сумма реакций цепи на элементарные воздействия 1(t ) или d(t ).
Средний фильтр - фильтр нижних частот. Фазовый сдвиг линейно изменяется с частотой. Это подтверждается следующим выражением частотной характеристики . Чтобы имитировать действие этого фильтра на сигнал, рассмотрите следующий непрерывный сигнал и его выборку.
Чтобы получить отфильтрованный дискретный сигнал, достаточно выполнить свертку с импульсной характеристикой. Для линейного фазового фильтра фазовый сдвиг является линейной функцией частоты. Таким образом, частотная характеристика имеет следующий вид. 
Все частоты сигнала подвергаются одному и тому же сдвигу τ при прохождении через фильтр. τ - время распространения.
Между переходной g (t ) и импульсной h (t ) характеристиками линейной пассивной цепи существует определенная связь. Ее можно установить, если представить единичную импульсную функцию через предельный переход разности двух единичных функций величины 1/t, сдвинутых друг относительно друга на время t (см. рис. 7.4):
т. е. единичная импульсная функция равна производной единичной функции. Так как рассматриваемая цепь предполагается линейной, то соотношение (8.1) сохраняется и для импульсных и переходных реакций цепи
Форма сигнала не изменяется с помощью полосовой фильтрации. Выделяя термин, содержащий фазу, частотная характеристика записывается в соответствии с выражением. После изменения переменной в сумме выводится выражение коэффициента усиления. Написан частотный отклик. Учитывая предел, получим.
Получен линейный фазовый фильтр с бесконечной импульсной характеристикой. Этот метод эквивалентен применению прямоугольного окна к коэффициентам Фурье. 
Коэффициенты Фурье этой функции. 
Результат может быть выражен с помощью синусовой кардинальной функции и зависит только от отношения частоты среза к частоте дискретизации.
т. е. импульсная характеристика является производной от переходной характеристики цепи.
Уравнение (8.2) справедливо для случая, когда g (0) = 0 (нулевые начальны е условия для цепи). Еслиже g (0) ¹ 0, то представив g (t ) в виде g (t ) = , где = 0, получим уравнение связи для этого случая:
Для получения частотной характеристики используется следующая функция. Здесь приведен график усиления и фазы фильтра. Можно видеть, что фаза действительно линейна в полосе пропускания, но усиление имеет очень сильные волнистости. В аттенюированной полосе имеются разрывы π фазы. Разумеется, различия в отношении желаемой передаточной функции обусловлены усечением импульсной характеристики.
Попробуем усечение окном Ханна. Волны в полосе пропускания и в аттенюированной полосе значительно уменьшены. Линейность фазы в полосе пропускания всегда обеспечивается. Если задержка τ должна оставаться фиксированной, частота дискретизации должна быть увеличена одновременно. Отбирается сигнал с шумом.
Для нахождения переходных и импульсных характеристик цепи можно использовать как классический, так и операторный методы. Сущность классического метода состоит в определении временной реакции цепи (в форме напряжения или тока в отдельных ветвях цепи) на воздействие единичной 1(t ) или импульсной d(t ) функции. Обычно классическим методом удобно определять переходную характеристику g (t ), а импульсную характеристику h (t ) находить с помощью уравнений связи (8.2), (8.3) или операторным методом .
Пример. Найдем классическим методом переходную характеристику по напряжению для цепи, изображенной на рис. 8.1. Численно g u (t ) для данной цепи совпадает с напряжением на емкости при подключении ее в момент t = 0 к источнику напряжения U 1 = l В:
Закон изменения напряжения u C (t ) определяется уравнением (6.27), где необходимо положить U = l В:
При нахождении характеристик g (t ) и h (t ) операторным методом пользуются изображениями функций 1(t ), d(t ) и методикой расчета переходных процессов, изложенных в гл. 7.
Пример. Определим операторным методом переходную характеристику g u (t ) RС -цепи (см. рис. 8.1). Для данной цепи в соответствии с законом Ома в операторной форме (7.35) можем записать:
Окончательно получаем
Отсюда по теореме разложения (7.31) находим
т. е. то же значение, что и полученное классическим методом.
Следует отметить, что величина I (р ) в уравнении (8.4) численно равна изображению переходной проводимости. Аналогичное изображение импульсной характеристики численно равно операторной проводимости цепи
Например, для RС -цепи (см. рис. 8.1) имеем:
Применив к Y (p ) теорему разложения (7.30), получим:
Следует отметить, что формула (8.5) определяет свободную составляющую реакции цепи при единичном импульсном воздействии. В общем случае в реакции цепи, кроме экспоненциальных составляющих свободного режима при t > 0 присутствует импульсное слагаемое, отображающее воздействие при t = 0 единичного импульса. Действительно, если учесть, что для RС -контура (см. рис. 8.1) переходная характеристика по току при U = 1(t ) согласно (6.28) будет
то после дифференцирования (8.6) согласно (8.2) получаем импульсную характеристику RС -цепи h i (t ) в виде
т. е. реакция h i (t ) содержит два слагаемых - импульсное и экспоненциальное.
Физический смысл первого слагаемого в (8.7) означает, что при t = 0 в результате воздействия на цепь импульсного напряжения d(t ) зарядный ток мгновенно достигает бесконечно большого значения, при этом за время от 0 – до 0 + элементу емкости передается конечный заряд и она скачком заряжается до напряжения I /RC . Второе слагаемое определяет свободный процесс в цепи при t > 0 и обусловлено разрядом конденсатора через короткозамкнутый вход (так как при t > 0 d(t ) = 0, что равносильно КЗ входа) с постоянной времени t = RC . Из этого следует, что при d(t )-импульсном воздействии на RС -цепь нарушается непрерывность заряда на емкости (второй закон коммутации). Аналогично нарушается и условие непрерывности тока в индуктивности (первый закон коммутации), если к цепи, содержащей элемент индуктивности воздействовать напряжением в виде d(t ).
В табл. 8.1 сведены значения переходной и импульсных характеристик по току и напряжению для некоторых цепей первого и второго порядка.
8.2. Интеграл Дюамеля
Интеграл Дюамеля может быть получен, если аппроксимировать приложенное воздействие f 1 (t ) с помощью единичных функций, сдвинутых относительно друг друга на время Dt (рис. 8.2).
Реакция цепи на каждое ступенчатое воздействие определится как
Результирующая реакция цепи на систему ступенчатых воздействий найдется, исходя из принципа наложения:
где п - число аппроксимирующих участков, на которые разбит интервал 0 ... t . Домножив и разделив выражение, стоящее под знаком суммы, на Dt и перейдя к пределу с учетом того получим одну из форм интеграла Дюамеля:
Уравнение (8.8) отражает реакцию цепи на заданное воздействие, поскольку аппроксимирующая функция стремится к исходной.
Вторая форма интеграла Дюамеля может быть получена с помощью теоремы свертки (см.): , б), затем определяется классическим или операторным методом реакция цепи при включении рассматриваемой ветви к активному двухполюснику (рис. 8.4, в ). Результирующая реакция находится как сумма реакций: .
8.3. Интеграл наложения
При нахождении реакции цепи с помощью интеграла наложения используется импульсная характеристика цепи h (t ). Для получения общего выражения интеграла наложения аппроксимируем входной сигнал f 1 (t ) с помощью системы единичных импульсов длительности d t, амплитуды f 1 (t) и площади f 1 (t)d t (рис. 8.5). Выходная реакция цепи на каждый из единичных импульсов
Используя принцип наложения, нетрудно получить суммарную реакцию цепи на систему единичных импульсов:
Интеграл (8.12) носит название интеграла наложения . Между интегралами наложения и Дюамеля существует простая связь, определяемая связью (8.3) между импульсной h (t ) и переходной g (t ) характеристиками цепи. Подставив, например, значение h (t ) из (8.3) в формулу (8.12) с учетом фильтрующего свойства d-функции (7.23), получим интеграл Дюамеля в форме (8.11).
Пример. На вход RС -цепи (см. рис. 8.1) подается скачок напряжения U 1 . Определить реакцию цепи на выходе с использованием интегралов наложения (8.12) и Дюамеля (8.11).
Импульсная характеристика данной цепи равна (см. табл. 8.1): h u (t ) = = (1/RC)e –t / RC . Тогда, подставляя h u (t – t) = (1/RC)e –( t– t)/ RC в формулу (8.12), получаем:
Аналогично результат получаем при использовании переходной функции данной цепи и интеграла Дюамеля (8.11):
Если начало воздействия не совпадает с началом отсчета времени, то интеграл (8.12) принимает вид
Интегралы наложения (8.12) и (8.13) представляютсобойсвертку входного сигнала с импульсной характеристикой цепи и широко применяются в теории электрических цепей и теории передачи сигналов. Ее физический смысл заключается в том, что вход ной сигнал f 1 (t) как бы взвешивается с помощью функции h (t- t): чем медленнее убывает со временем h (t ), тем большее влияние на выходной сигнал оказывает более удаленные от момента наблюдения значение входного воздействия.
На рис. 8.6, а показан сигнал f 1 (t) и импульсная характеристика h (t- t), являющаяся зеркальным отображением h (t), а на рис. 8.6, б приведена свертка сигнала f 1 (t) с функцией h (t- t) (заштрихованная часть), численно равная реакции цепи в момент t .
Из рис. 8.6 видно, что отклик на выходе цепи не может быть короче суммарной длительности сигнала t 1 и импульсной характеристики t h . Таким образом, для того чтобы выходной сигнал не искажался импульсная характеристика цепи должна стремиться к d-функции.
Очевидно также, что в физически реализуемой цепи реакция не может возникнуть раньше воздействия. А это означает, что импульсная характеристика физически реализуемой цепи должна удовлетворять условию
Для физически реализуемой устойчивой цепи кроме того должно выполняться условие абсолютной интегрируемости импульсной характеристики:
Если входное воздействие имеет сложную форму или задается графически, то для вычисления реакции цепи вместо интеграла свертки (8.12) применяют графоаналитические способы.
Вопросы и задания для самопроверки
1. Дать определения переходной и импульсной характеристик цепи.
2. Указать связь между импульсной и переходной характеристиками.
3. Как определить переходную и импульсную характеристику цепи?
4. В чем отличие переходных характеристик, объяснить их физический смысл.
5. Как определить, какую из четырех разновидностей переходных или импульсных характеристик необходимо применить в каждом конкретном случае при расчете реакции цепи?
6. В чем заключается сущность расчета переходных процессов с использованием g (t ) и h (t )?
7. Как определить реакцию цепи, если воздействие имеет сложную форму?
8. Каким условиям должна удовлетворять цепь при использовании интеграла Дюамеля?
9. Приведите другую форму интеграла наложения, отличную от (8.12).
10. Расчет реакции цепи с использованием интегралов Дюамеля и наложения приводит к одинаковым результатам или разным?
11. Определить переходную проводимость цепи, образованной сопротивлением и индуктивностью, включенными последовательно.
12. Определить цепи, образованной сопротивлением и емкостью, включенными последовательно.
Ответ: 
.
13. Получить третью форму интеграла Дюамеля (8.10) из уравнения свертки (8.10).