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)t2h(t)t1

A entrada x(t) = 2·e−3tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−5tu(t). Encontre a saída y(1,5) em t = 1,5 s.

x(t) = 2·e−3tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]2+h[n]0,4·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,4·y[n − 1] + 2·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[2] da sua resposta ao impulso.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 4)) por frações parciais e calcule f(0,5).

F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 7y′ + 12y = 14u, 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 = 0,4 s. Encontre g(0,4).

y″ + 7y′ + 12y = 14ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 94/(s² + 13s + 94) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.

G(s) = 94/(s² + 13s + 94)
ζ =
6.Resposta ao degrauDifícil
+−5 VR = 88 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 88 Ω, L = 100 mH e C = 4,7 µF é ligado a um degrau de 5 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre a tensão de pico do capacitor vC,max.

R = 88 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFV = 5 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 50 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 10 Ω, com L = 50 mH e C = 1 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 10 ΩL = 50 mHC = 1 µF
Q =
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 720/(s(s + 20)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 720/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(1.5) = 0,01056

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).

Integral de convolução

y(t) = 2e−5t∫₀ᵗ e−(3 − 5)τ dτ = 2(e−5t − e−3t)/(−2)

Calcular

y(1,5) = 2·(0,0005531 − 0,01111)/(−2) = 0,01056

Resposta

y(1,5) = 0,01056
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[2] = 0,32

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

h[0] = 2
h[1] = 0,8
h[2] = 0,32

Resultado

h[2] = 2·(0,4)2 = 0,32

Resposta

h[2] = 0,32
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.5) = 2,497

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).

Frações parciais

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 4)
A = 50/(2·4) = 6,25
B = 50/((−2)·2) = −12,5
C = 50/((−4)·(−2)) = 6,25

Transformada inversa

f(t) = 6,25 − 12,5·e−2t + 6,25·e−4t

Calcular

f(0,5) = 6,25 − 12,5·e−2·0,5 + 6,25·e−4·0,5 = 2,497

Resposta

f(0,5) = 2,497
4.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.4) = 1,39

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) = 14/(s² + 7s + 12)

Frações parciais

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 14, B = −14

Resposta ao impulso

g(t) = 14·e−3t − 14·e−4t
g(0,4) = 1,39

Resposta

g(0,4) = 1,39
5.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,6704

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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,695) = 0,6704

Resultado

ζ = 0,6704

Resposta

ζ = 0,6704
6.Resposta ao degrau

Resposta: vC,max = 6,851 V

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/√(0,1·4,7 × 10⁻⁶) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (88/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,1) = 0,3016

Resultado

%OS = 37,01 %
vC,max = 5·(1 + 0,3701) = 6,851 V

Resposta

vC,max = 6,851 V
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 22,36

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.

Frequência de ressonância

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 10/0,05 = 200 rad/s = 31,83 Hz
Q = ω₀/BW = 4472/200 = 22,36

Resposta

Q = 22,36
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 23,39 rad/s

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 + 400ω² − 518400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·518400))/2 = 547,3
ωc = 23,39 rad/s

Resposta

ωc = 23,39 rad/s

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