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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
Esboce os dois sinais e marque onde cada um é não nulo.
Inverta h e deslize-a: para cada instante de saída, encontre a faixa em que os dois sinais se sobrepõem.
Multiplique e some (discreto) ou multiplique e integre (contínuo) somente sobre essa sobreposição.
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
O pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 2 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 3 em t = 0 até 0 em t = 1 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
Um trem de pulsos tem altura 2, largura de pulso 0,8 ms e período 4 ms. Encontre a amplitude c2 do harmônico de número 2, em 500 Hz.
A = 2τ = 0,8 msT = 4 ms
c2 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (4s + 33)/(s² + 8s + 16) e calcule f(0,2).
F(s) = (4s + 33)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 5y′ + 4y = 5u, 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 = 1,5 s. Encontre g(1,5).
y″ + 5y′ + 4y = 5ut = 1,5 s
g(1.5) =
5.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 27/(s² + 2s + 54) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.
G(s) = 27/(s² + 2s + 54)
σ =
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 235/(s(s + 4)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 235/(s(s + 4))
ts = s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 10 Ω, com L = 20 mH e C = 0,22 µF. Encontre o fator de qualidade Q.
R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,22 µF
Q =
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 414/(s(s + 5)(s + 8)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 414/(s(s + 5)(s + 8))
ω180 = rad/s
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 15
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 = 5·2 = 10
∫h dt = ½·1·3 = 1,5
Área da saída
Ay = 10·1,5 = 15
Resposta
Ay = 15
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c2 = 0,6055
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)|.
Ciclo de trabalho
D = 0,8/4 = 0,2
Amplitude do harmônico
c2 = (2·2/(2π))·|sin(2π·0,2)| = 0,6055
Resposta
c2 = 0,6055
3.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.2) = 3,325
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Frações parciais
4s + 33 = 4(s + 4) + 17
F(s) = 4/(s + 4) + 17/(s + 4)²
Transformada inversa
f(t) = 4·e−4t + 17·t·e−4t
f(0,2) = (4 + 17·0,2)·e−4·0,2 = 3,325
Resposta
f(0,2) = 3,325
4.Transformadas de Laplace
Resposta: g(1.5) = 0,3678
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) = 5/(s² + 5s + 4)
Frações parciais
s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 1,667, B = −1,667
Resposta ao impulso
g(t) = 1,667·e−t − 1,667·e−4t
g(1,5) = 0,3678
Resposta
g(1,5) = 0,3678
5.Resposta ao degrau
Resposta: σ = −1
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 = 54 → ωₙ = 7,348 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,348) = 0,1361
Resultado
σ = −ζωₙ = −2/2 = −1
Resposta
σ = −1
6.Resposta ao degrau
Resposta: ts = 2 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).
Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.
7.Diagramas de Bode e margens
Resposta: Q = 30,15
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/√(0,02·2,2 × 10⁻⁷) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz
Fator de qualidade
BW = R/L = 10/0,02 = 500 rad/s = 79,58 Hz
Q = ω₀/BW = 15076/500 = 30,15
Resposta
Q = 30,15
8.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ω180 = 6,325 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.