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)t32h(t)t12

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 3 s é convoluído com o pulso h(t) = 2 para 0 ≤ t < 1 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)2,55101−1

Uma onda triangular sobe e desce linearmente entre −1 e +1 com período T = 5 ms. Encontre a amplitude c1 da sua componente de Fourier em 200 Hz.

±1T = 5 msf = 200 Hz
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Encontre f(t) para F(s) = (3s + 24)/(s² + 6s + 9) e calcule f(0,3).

F(s) = (3s + 24)/(s² + 6s + 9)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−61

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 11u, com entrada u(t) e saída y(t). Encontre sua função de transferência G(s) = Y(s)/U(s) (condições iniciais nulas) e calcule a resposta ao impulso g(t) em t = 0,5 s. Encontre g(0,5).

y″ + 6y′ + 8y = 2u′ + 11ut = 0,5 s
g(0.5) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 83/(s² + 6s + 83) 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) = 83/(s² + 6s + 83)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
+−10 VR = 19 ΩL = 50 mHC = 22 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 19 Ω, L = 50 mH e C = 22 µF é ligado a um degrau de 10 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre o instante tp do primeiro pico de tensão, em ms.

R = 19 ΩL = 50 mHC = 22 µFV = 10 V
tp = ms
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)1101001000−80−60−40−200ω (rad/s)ω = 20

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 266/((s + 14)(s + 19)) em ω = 20 rad/s, em dB.

G(s) = 266/((s + 14)(s + 19))ω = 20 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)−180−135−90−450ωc​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 4,8/(s(s + 2)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 4,8/(s(s + 2))
PM = °

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ay = 12

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).

Áreas das entradas

∫x dt = 2·3 = 6
∫h dt = 2·1 = 2

Área da saída

Ay = 6·2 = 12

Resposta

Ay = 12
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c1 = 0,8106

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 = 200 Hz → k = 1

Amplitude

c1 = 8·1/(π²·1²) = 0,8106

Resposta

c1 = 0,8106
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.3) = 3,049

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Frações parciais

3s + 24 = 3(s + 3) + 15
F(s) = 3/(s + 3) + 15/(s + 3)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−3t + 15·t·e−3t
f(0,3) = (3 + 15·0,3)·e−3·0,3 = 3,049

Resposta

f(0,3) = 3,049
4.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.5) = 1,085

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).

Função de transferência

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 11)/(s² + 6s + 8)

Frações parciais

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 3,5, B = −1,5

Resposta ao impulso

g(t) = 3,5·e−2t − 1,5·e−4t
g(0,5) = 1,085

Resposta

g(0,5) = 1,085
5.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 1,333 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 = 83 → ωₙ = 9,11 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,11) = 0,3293

Resultado

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Resposta

ts = 1,333 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 3,362 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2 × 10⁻⁵) = 953,5 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,05) = 0,1993

Resultado

ωd = 934,3 rad/s
tp = π/ωd = 3,362 ms

Resposta

tp = 3,362 ms
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = −8,069 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(j20)| = 266/(√(20² + 14²)·√(20² + 19²)) = 266/(24,41·27,59) = 0,395

Resultado

20·log₁₀(0,395) = −8,069 dB

Resposta

|G(jω)| = −8,069 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 48,19 °

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 ganho

ω⁴ + 4ω² − 23,04 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·23,04))/2 = 3,2
ωc = 1,789 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(1,789/2) = −131,8°
PM = 180° + ∠L = 48,19°

Resposta

PM = 48,19°

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