Sinais e Sistemas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Convolução e sistemas LIT

Convolução discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolução contínua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Comprimento e soma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Início, fim e área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Degrau em e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primeira ordem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursão de primeira ordem
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Senoide por h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes da série de Fourier
quadrada ±A: 4A/(kπ), k ímpar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k ímpar; trem de pulsos: A·D e (2A/(kπ))|sen kπD|

Método

  1. Esboce os dois sinais e marque onde cada um é não nulo.
  2. Inverta h e deslize-a: para cada instante de saída, encontre a faixa em que os dois sinais se sobrepõem.
  3. Multiplique e some (discreto) ou multiplique e integre (contínuo) somente sobre essa sobreposição.
  4. Confira o resultado: a saída começa na soma dos instantes iniciais, termina na soma dos instantes finais, e sua área ou soma é o produto das áreas ou somas das entradas.

2Exercícios

1.Convolução e sistemas LITMédia
x(t)t−12h(t)t35

O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = −1 s e t = 2 s, e h(t) apenas entre t = 3 s e t = 5 s. Encontre o instante tstart em que y(t) = x(t) ∗ h(t) começa.

x: −1 … 2 sh: 3 … 5 s
tstart = s
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)0,5121−1

Uma onda quadrada comuta entre +1 e −1 com período T = 1 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c3 da sua componente de Fourier em 3000 Hz.

±1T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 19)/(s² + 14s + 48). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−6t + B·e−8t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (5s + 19)/(s² + 14s + 48)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Um sistema obedece a y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), com y(0) = 6 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 2. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,5).

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 88/(s² + 9s + 88) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 88/(s² + 9s + 88)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 2000 N/mc = 170 N·s/mm = 10 kgF = 20 Nx(t)

Uma massa m = 10 kg está pendurada em uma mola k = 2000 N/m com um amortecedor viscoso c = 170 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 20 N é aplicada de repente. Encontre o maior deslocamento xmax em mm.

m = 10 kgk = 2000 N/mc = 170 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 1344/((s + 12)(s + 14)) em ω = 4 rad/s, em dB.

G(s) = 1344/((s + 12)(s + 14))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 15 dB
K =

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: tstart = 2 s

Convolução contínua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Inverta h, deslize-a até a posição t e integre o produto das partes sobrepostas. Para sinais causais a integral vai de 0 a t. Resultados úteis: a área de y é a área de x vezes a área de h; se x dura de t₁ a t₂ e h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) e um degrau de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Início e fim

tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 2 + 5 = 7 s

Resposta

tstart = 2 s

Resposta

tstart = 2 s
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c3 = 0,4244

Resposta ao impulso e série de Fourier: a resposta ao impulso h(t) descreve completamente um sistema LIT: para y′ + a·y = b·x ela é h(t) = b·e−atu(t), e para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] ela é h[n] = b·aⁿu[n]. Uma senoide cos ωt passa com ganho |H(jω)| e fase ∠H(jω), onde H é a transformada de Fourier de h. Um sinal periódico é uma soma de harmônicos em k/T: uma onda quadrada de ±A tem apenas harmônicos ímpares com amplitudes 4A/(kπ), uma onda triangular de pico A tem 8A/(π²k²), e um trem de pulsos de altura A e ciclo de trabalho D tem a média A·D e os harmônicos (2A/(kπ))·|sen(kπD)|.

Número do harmônico

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 3000/1000 = 3

Amplitude

c3 = 4·1/(3π) = 0,4244

Resposta

c3 = 0,4244
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = −5,5

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 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), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Fatore o denominador

s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 6) e faça s = −6: o termo em B desaparece.

A = (5s + 19)/(s + 8) |s = −6 = −11/2 = −5,5

Resposta

A = −5,5
(B = 10,5, então f(t) = −5,5·e−6t + 10,5·e−8t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.5) = 4,951

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 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), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transforme a equação

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 10/s
Y(s) = (6s² + 36s + 10)/(s(s + 1)(s + 5))

Frações parciais

A = 10/(1·5) = 2
B = −20/((−1)·4) = 5
C = −20/((−5)·(−4)) = −1

Resultado

y(t) = 2 + 5·e−t − e−5t
y(0,5) = 4,951

Resposta

y(0,5) = 4,951

Verificação: y(0) = A + B + C = 6.

5.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 0,8889 s

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Compare com a forma padrão

O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 88 → ωₙ = 9,381 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,381) = 0,4797

Resultado

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Resposta

ts = 0,8889 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: xmax = 10,94 mm

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = √(k/m) = √(2000/10) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 170/(2·√(2000·10)) = 0,601

Resultado

xst = F/k = 20/2000 m = 10 mm
%OS = 9,418 %
xmax = 10·(1 + 0,09418) = 10,94 mm

Resposta

xmax = 10,94 mm
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 17,26 dB

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Multiplique os módulos

|G(j4)| = 1344/(√(4² + 12²)·√(4² + 14²)) = 1344/(12,65·14,56) = 7,297

Resultado

20·log₁₀(7,297) = 17,26 dB

Resposta

|G(jω)| = 17,26 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: K = 12,8

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Cruzamento de fase

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

Ganho necessário

72/K = 1015/20 = 5,623
K = 72/5,623 = 12,8

Resposta

K = 12,8

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