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StoneForgeJoel committed Oct 25, 2022
1 parent fbb0943 commit 003cf9b
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80 changes: 39 additions & 41 deletions RegT1E_HS22.tex
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Expand Up @@ -7,12 +7,15 @@

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Packages

\usepackage{mutlicol}
\usepackage[export]{adjustbox}
\usepackage{bm}
%% TODO: publish to CTAN
\usepackage{tex/hsrstud}

%% Language configuration
\usepackage{polyglossia}

\setdefaultlanguage[variant=swiss]{german}

%% License configuration
Expand All @@ -23,6 +26,7 @@
lang={german},
]{doclicense}


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% Metadata

Expand Down Expand Up @@ -69,28 +73,7 @@ \section*{Lizenz}
\setcounter{page}{1}
\pagenumbering{arabic}

\section{Wichtige Funktionen}
\label{func}
\begin{tabular}{p{5cm} p{10cm}}
\includegraphics[width = 2.5cm]{img/Sprungfunktion.png} &
Sprungfunktion: \newline
Normierter Einschaltvorgang \newline
$ t<0 : u(t) = 0, \ newline
t \geqslant 0: u(t) = 1 $ \\

\includegraphics[width = 2.5cm]{img/Impulsfunktion.png} &
Impulsfunktion = Deltafunktion = \newline
Diracimpuls = Delta-Distribution \newline
Unendlicher kurzer normierter Impuls mit unendlicher Amplitude

Mathematische Eigenschaften:
$\int\limits _{-\infty} ^{+\infty} f(t) \cdot \delta (t-t_0) dt = f(t_0)$ \newline
$\int\limits _{-\infty} ^{+\infty} f(t) \cdot \delta (t) dt = f(0)$\newline
$\int\limits _{-\infty} ^{+\infty} \delta (t) dt = 1$ \\
%TODO: Find Graphic
&
$\varepsilon(t) = \begin{cases} 0$ für $ t<0 \\ 1 $für$ t \geq 0 \end{cases}$ \\
\end{tabular}
%\input{include/Wichtige Funktionen/Wichtige Funktionen.tex}
\section{Begriffe}
\begin{itemize}
\item Prozess
Expand Down Expand Up @@ -149,6 +132,7 @@ \section{Begriffe}

\end{itemize}


\subsection{Grundglieder}
\label{Grundglieder}
\begin{itemize}
Expand Down Expand Up @@ -176,32 +160,46 @@ \subsection{Grundglieder}

\item PT\textsubscript{2}-Glied
\begin{itemize}
\item %TODO:
\item Übertragungsglied mit Verhalten 2. Ordnung.
\item $T^2 \cdot \ddot{y}(t) + 2 \zeta T \cdot\dot{y}(t) + y(t) = K \cdot u(t)$
\end{itemize}
\item D-Glied(idealer Differenzierer)
\begin{itemize}
\item %TODO:
\item Bildet die Zeitliche Ableitung des Signals, mit einer Verstärkung K.
\item $y(t) = K \cdot \frac{du(t)}{dt} = K\cdot \dot{u}(t)$
\end{itemize}
\item DT$_1$-Glied
\begin{itemize}
\item %TODO:
\item Realiserbar, im Gegensatz zum theoretischen D-Glied.
\item $T \cdot \dot{y}(t) + y(t) = K \cdot \dot{u}(t)$
\end{itemize}
\item PI-, PD- PID-Glied (PDT$_1$ und PIDT$_1$)
\begin{itemize}
\item %TODO:
\item Werden häufig als Regler eingesetzt.
\item Name setzt sich aus den Aktiven Pfaden zusammen.
\begin{itemize}
\item P: Proportional
\item I: integrierend
\item D: Differenzierend
\item P, I und D in Kombination sind Parallel
\item T\textsubscript{1,2,t} bezieht sich auf die vorangehende Komponente.
\end{itemize}
\item Berechnet sich aus Superposition der Teilantworten
\item $y(t) = A \cdot [K_P + K_I \cdot t + \frac{K_D}{T_C} \cdot e^{\frac{-t}{T_C}}]$
\end{itemize}
\item Lead-Glied, Lag-Glied, Lead-Lag-Glied
\begin{itemize}
\item %TODO:
\item Varianten von PDT\textsubscript{1}-Gliedern.
\item Unterscheiden sich im Vorzeichen von $K_P$ und $K_D$.
\end{itemize}

\end{itemize}
\end{itemize}

\input{/LTI-Systeme/LTI-Systeme.tex}



\section{Tabllen}
\section{Tabellen}
\subsection*{Blockschaltbilder-DIN}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
\hline
Expand Down Expand Up @@ -232,22 +230,22 @@ \subsection*{Blockschaltbilder-DIN}
\subsection*{Blockschaltbilder MatLab}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
\hline
\textbf{Summierer} &
\textbf{Differenzbilder} &
\textbf{Konstante} &
\textbf{Proportionalglied} &
\textbf{Integrierer} \\
\textbf{Summierer} &
\textbf{Differenzbilder} &
\textbf{Konstante} &
\textbf{Proportionalglied} &
\textbf{Integrierer} \\
\includegraphics[]{img/matlab/sum_block_icon.png} &
\includegraphics[]{img/matlab/difference_block_icon.png} &
\includegraphics[]{img/matlab/constant_block_icon.png} &
\includegraphics[]{img/matlab/gain_block_icon.png} &
\includegraphics[]{img/matlab/integrator_block_icon.png} \\
\includegraphics[]{img/matlab/integrator_block_icon.png} \\
\hline
\textbf{Totzeitglied} &
\textbf{Differenzierer} &
\textbf{} &
\textbf{} &
\textbf{} \\
\textbf{Totzeitglied} &
\textbf{Differenzierer} &
\textbf{} &
\textbf{} &
\textbf{} \\
\includegraphics[]{img/matlab/transport_delay_block_icon.png} &
\includegraphics[]{img/matlab/derivative_block_icon.png} &
\\
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Binary file not shown.
Binary file modified img/DT-Glied.png
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54 changes: 54 additions & 0 deletions include/Integraltransformationen/Integraltransformationen.tex
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@@ -0,0 +1,54 @@
\section{Integraltransformationen}

\subsubsection*{Faltung}

$$y(t) = (x_1 * x_2)(t) = \int \limits _{-infty} ^{infty} x_1(\tau) \cdot x_2(t-\tau) d\tau$$
\textbf{Eigenschaften:}
\begin{itemize}
\item Kommutativ ($f * g = g * f$)
\item Assoziatiov ($(f*(g*h)) = ((f*g)*h)$)
\item Distributiv ($f*(g+h)= f*g + f*h$)
\end{itemize}

\subsection{Fourier-Reihe und Transformation}
\subsubsection*{Fourier-Reihe}
\begin{tabular}{p{4.5cm}p{14.5cm}}
Trigonometrische Form &
$x(t) = \frac{u_0}{2} + \sum \limits _{n = 1} ^{\infty} u_n \cdot cos(2\pi n f_0 \cdot t) + v_n \cdot sin(2\pi n f_0 \cdot t) $
\newline $u_n = \frac{2}{T} \int \limits _{T} x(t) \cdot cos(2\pi n f_0 \cdot t)dt$
\newline $v_n = \frac{2}{T} \int \limits _{T} x(t) \cdot sin(2\pi n f_0 \cdot t)dt$
\\[20pt]
Harmonische Form &
$x(t) = r_0 + \sum \limits _{n = 1} ^{\infty} r_n \cdot cos(2\pi n f_0 \cdot t + \varpi_n)$
\newline $r_0 = \frac{u_0}{2} = \frac{1}{T} \int \limits _{T} x(t) dt $
$r_n > 0 = \sqrt{u_n^2 + v_n^2}$
$\varphi = arg(u_n - j \cdot v_n) $
\\
Komplexe Form &
$x(t) = \sum \limits _{n= -\infty} ^{\infty} c_n \cdot e^{jn2\pi f_0 \cdot t}$
\newline $c_n =\overline{c_{-n}} = \frac{1}{T} \int \limits _{0} ^{T} x(t) \cdot e^{-j n 2 \pi f_0 \cdot t} dt$
\newline $ 2\pi f_0$ wird auch als \textbf{Kreisfrequenz} $\omega$ bezeichnet, $f_0$ = Frequenz des Grundsignals $x(t)$.
\\[20pt]
Umrechnung Koeffizienten &
$c_n =\overline{c_{-n}} = \frac{a_n - jb_n}{2} (n = 0,1,2,3,..., b_0 =0)$
\newline $a_n = 2 \cdot Re(c_n); \; b_n = -2 \cdot Im(c_n) (n = 0,1,2,3,..., b_0 =0)$\\
\end{tabular}


\subsubsection*{Fouriertransformation $\mathcal{F}(\omega)$}
$$ X(\omega) = \mathcal{F}[x(t)] = \int \limits _{-\infty} ^{+\infty} x(t) \cdot e^{-j \omega t} dt $$
$$ x(t) = \mathcal{F}^{-1}[X(\omega)] = \frac{1}{2 \pi} \int \limits _{- \infty} ^{+ \infty} X(\omega) \cdot e^{j \omega t} d\omega$$

\subsubsection*{Komplex sin/cos}

$$cos \varphi = \frac{e^{j\varphi}+ e^{-j\varphi}}{2}, \; sin \varphi = \frac{e^{j\varphi} - e^{-j\varphi}}{2j} $$

\subsection{Laplace-Transformation}
TODO: %LAPLAAAAAAAAACEEEE

\subsection{Hilbert-Transformation}
Hilbert Transformation ist die Anwendung eines Quadraturfilters. \\
Definition im \textbf{Zeitbereich:}
$$\hat{x}(t) = x(t) * \frac{1}{\pi t} = \frac{1}{\pi} \int \limits _{-\infty} ^{\infty} \frac{x(\tau)}{t-\tau} d\tau$$
Im \textbf{Frequenzbereich}:
$$\hat{X}(\omega) = X(\omega) \cdot H(\omega) = -j \cdot sgn(\omega) \cdot X(\omega)$$
97 changes: 97 additions & 0 deletions include/Kenngrössen von Signalen/Kenngrössen von Signalen.tex
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@@ -0,0 +1,97 @@
\section{Kenngrössen von Signalen}
\begin{tabular}{p{6cm}p{12cm}}
Energie &
$W_n = \lim_{T \to \infty} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} |f(t)|^2 dt$ \\
Leistung &
$P_n = lim_{T \to \infty} \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} |f(t)|^2 dt$ \\
*Linearer Mittelwert
\newline \tiny(auch: $ \bar{x}, x_m$) &
$X_0 = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2}^{T/2} x(t) dt $ \\
*Quadratischer Mittelwert &
$X^2 = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2}^{T/2} x^2(t) dt$ \\
*Effektivwert \newline \tiny{("Quadratischer Mittelwert", RMS)} &
$X^2 = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2}^{T/2} \sqrt{x^2(t)} dt $ \\
Mittelwert n. Ordnung \newline \tiny(nur Signale $\in \mathbb{R}$) &
$X^n = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} x^n(t)dt$ \\
Varianz &
$Var(x) = \sigma^2 = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} (x(t) - X_0)^2 dt$ \\
Standardabweichung &
$\sigma = \sqrt{Var(x)} = \sqrt{X^2 - (X_0)^2}$ \\
\end{tabular}
\textbf{\tiny *Hinweis: Formeln sind für Klasse 2a angegeben. \newline
Für Klasse 2b mit: $\lim_{t \to \infty}\;$ für Klasse 1: ohne $\frac{1}{T}$ }

\subsubsection*{Die Autokorrelationsfunktion (AKF)}
Für Klasse 2a
$$ \varphi_{xx}(\pm \tau) = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} x(t) \cdot x(t- \tau) dt
= \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} x(t + \tau) \cdot x(t)dt$$
\textbf{Eigenschaften:}
\begin{itemize}
\item $\varphi_{xx}(0) = X^2 = (X_0)^2 + \sigma^2$ \tiny Quadratischer Mittelwert \normalsize
\item $\varphi_{xx}(\tau) = \varphi_{xx}(\tau \pm n \cdot T)$, mit $n \in \mathbb{N}$,
AKF hat gleiche Periode $T$ wie $x(t)$
\item $\varphi_{xx}(\tau) = \varphi_{xx}(-\tau)$, AKF ist gerade Funktion
\item $\varphi_{xx}(0) \geq \left|\varphi_{xx}(\tau)\right|$
\item $\varphi_{xx}(\tau) \geq (X_0)^2 - \sigma^2$
\item \textbf{Klasse 2b:} $\lim_{t \to \infty}$ voran; \textbf{Klasse 1:} $\lim_{t \to \infty}$ anstelle $\frac{1}{T}$
\end{itemize}

\subsubsection*{Die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF)}
Für Klasse 2a:
$$ (x \star y)(\tau) = \varphi_{x_1x_2}(\tau) = \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} x_1(t) \cdot x_2(t- \tau) dt
= \frac{1}{T} \int \limits _{-T/2} ^{T/2} x_1(t + \tau) \cdot x_2(t)dt$$
\textbf{Eigenschaften:}
\begin{itemize}
\item $\varphi_{x_1x_2}(\tau) = \varphi_{x_1x_2}(-\tau)$
\item ist \textbf{nicht} Kommutativ($(x \star y)(\tau) \neq (y \star x)(\tau)$)
\item \textbf{Klasse 2b:} $\lim_{t \to \infty}$ voran; \textbf{Klasse 1:} $\lim_{t \to \infty}$ anstelle $\frac{1}{T}$
\end{itemize}


\subsection{Vergleich Signalleistung / physikalische Leistung}
Leistungsverhältnisse zweier Leistungen wird oft in dB, Dezibel angegeben.
Bel steht für das Verhältnis zweier Werte im Zehnerlogarithmus.
Aufgrund des d (=dezi) muss ein Faktor 10 verwendet werden.
Werden anstelle Leistungen Effektivwerte genommen wird ein Faktor 20 benötigt.
Bei Referenzwerten $P_0$ ist dieser für $P_x$ resp $x_{rms}$ einzusetzen.

$$10 \cdot \log_{10} (\frac{P_y}{P_x}) =
10 \cdot \log_{10}(\frac{(y_{rms})^2}{(x_{rms})^2}) =
20 \cdot log_{10}(\frac{y_{rms}}{x_{rms}}) = k[\textrm{dB}]$$
daraus folgt:
$$P_y = P_x \cdot 10^{\frac{k}{10}} \; P_x = \frac{P_y}{10^{\frac{k}{10}}}$$
bzw:
$$y_{rms} = x_{rms} \cdot 10^{\frac{k}{20}} \; x_{rms} = \frac{y_{rms}}{10^{\frac{k}{20}}}$$

\subsection{Rauschen}

effektive thermische Rauschleistung: $P_r = k \cdot T \cdot \Delta f $ \\
daraus folgt: $U_r = \sqrt{4\cdot k \cdot T \cdot \Delta f \cdot R} $\\
wobei $k = 1.380662\cdot 10^{-23} \frac{J}{K}$ = Boltzmann-Konstante\\

Signal-Rausch-Verhältnis: $a_r = 10 \cdot log_{10}(\frac{P_s}{P_r}) = 20 \cdot log_{10}(\frac{U_s}{U_r})$
Rauschzahl: $F = \frac{P_{s_{in}}}{P_{r_{in}}}\cdot \frac{P_{r_{in}}}{P_{s_{out}}} $
logarithmisch: $A_F = 10 \cdot log_{10}(F) = a_{r_{in}} - a_{r_{out}}$

\subsection{Amplitudenanalyse von Signalen}

\textbf{Amplitudendichte (WSK-Dichte)} $p(a) = lim_{da \to 0} \frac{\sum t (a-\frac{da}{2} < x(t) \leq a + \frac{da}{2})}{T \cdot da}= \frac{1}{T} \cdot \frac{dt}{da}$

\subsubsection*{Mittelwerte}

\textbf{Linear:}$X_0 = \int \limits _{-\infty} ^{\infty} a \cdot p(a) da$
\textbf{N-te Ordnung:}$X^n = \int \limits _{-\infty} ^{\infty} a^n \cdot p(a) da$
Gauss verteilung \textbf{für Stochastische Signale} $p(a) = N(\mu, \sigma) = \frac{1}{\sigma \cdot \sqrt{2\pi}}\cdot e^{\frac{-(a-\mu)^2}{2\sigma^2}} $
wobei: $\mu$ = Linearer Mittelwert ($X_0$) und $\sigma$ = Varianz

\subsubsection*{Faltung zweier Amplitudendichten}

$p(a) = \int \limits _{-\infty} ^{\infty} p_2(x) \cdot p_1(a-x)dx$
Note: werden 2 Normalverteilungen gefaltet, entsteht eine Normalverteilung.

\subsubsection*{Weiter Funktionen}


Q-Funktion: $Q(\xi) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int \limits _{\xi} ^{\infty} e^{-\frac{y^2}{2}}d\xi$
Fehlerfunktion $erf(\xi) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int \limits _{0} ^{\xi} e^{-y^2} dy$
komplementäre Fehlerfunktion $erfc(\xi) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int \limits _{\xi} ^{\infty} e^{-y^2} dy $
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