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)t33h(t)t43

O pulso x(t) = 3 para 0 ≤ t < 3 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com resposta ao impulso h(t) = 3 para 0 ≤ t < 4 s (zero fora disso). Encontre a saída y(1) em t = 1 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1 s
y(1) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
u[n]3+y[n]0,6·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] e parte do repouso. A entrada é o degrau unitário x[n] = u[n]. Encontre y[2].

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Encontre f(t) para F(s) = (6s + 20)/(s² + 6s + 9) e calcule f(0,25).

F(s) = (6s + 20)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 7 e y′(0) = −10 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 7y′(0) = −10t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 15/(s² + 5s + 30) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 15/(s² + 5s + 30)
tp = s
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 16)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 5 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 5 %
K =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 720/((s + 5)(s + 12)) em ω = 5 rad/s, em dB.

G(s) = 720/((s + 5)(s + 12))ω = 5 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) = 8/(s(s + 1)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 8/(s(s + 1))
PM = °

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(1) = 9

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).

Sobreposição do pulso invertido

h(t − τ) é o pulso de h invertido e deslocado de modo que termine em τ = t.

τ ∈ [0, 1] → comprimento 1 s

Integral

y(1) = 3·3·1 = 9

Resposta

y(1) = 9

y(t) é um trapézio: sobe a partir de 0, fica em 27 e volta a 0 em t = 7 s.

2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y[2] = 5,88

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)|.

Itere

y[0] = 3
y[1] = 4,8
y[2] = 5,88

Resultado

y[2] = 3·(1 − (0,6)3)/(1 − 0,6) = 5,88

Resposta

y[2] = 5,88
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.25) = 3,07

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

6s + 20 = 6(s + 3) + 2
F(s) = 6/(s + 3) + 2/(s + 3)²

Transformada inversa

f(t) = 6·e−3t + 2·t·e−3t
f(0,25) = (6 + 2·0,25)·e−3·0,25 = 3,07

Resposta

f(0,25) = 3,07
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.25) = 4,329

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

s²Y − 7s − (−10) + 8(sY − 7) + 15Y = 0
Y(s) = (7s + 46)/((s + 3)(s + 5))

Frações parciais

A = 25/2 = 12,5
B = 11/(−2) = −5,5

Resultado

y(t) = 12,5·e−3t − 5,5·e−5t
y(0,25) = 4,329

Resposta

y(0,25) = 4,329

Verificação: y(0) = A + B = 7.

5.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,6446 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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,477) = 0,4564

Resultado

ωd = 5,477·√(1 − 0,4564²) = 4,873 rad/s → tp = π/ωd = 0,6446 s

Resposta

tp = 0,6446 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: K = 134,4

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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = K/(s² + 16s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Ganho

ωₙ = 16/(2ζ) = 11,59 rad/s
K = ωₙ² = 134,4

Resposta

K = 134,4
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 17,88 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(j5)| = 720/(√(5² + 5²)·√(5² + 12²)) = 720/(7,071·13) = 7,833

Resultado

20·log₁₀(7,833) = 17,88 dB

Resposta

|G(jω)| = 17,88 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 20,04 °

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 + 1ω² − 64 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·64))/2 = 7,516
ωc = 2,741 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,741/1) = −160°
PM = 180° + ∠L = 20,04°

Resposta

PM = 20,04°

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