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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 o pulso h(t) = 4 para 0 ≤ t < 1 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
A entrada x(t) = 5·cos(5t) é aplicada a um sistema com h(t) = 10·e−5tu(t). Encontre a amplitude Ym da saída em regime permanente.
h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 5cos(5t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (4s + 37)/(s² + 4s + 4) e calcule f(0,3).
F(s) = (4s + 37)/(s² + 4s + 4)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 9y′ + 20y = 0 com y(0) = −7 e y′(0) = −2 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,2).
y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −7y′(0) = −2t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 4/(s² + 3s + 4) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.
G(s) = 4/(s² + 3s + 4)
ζ =
6.Resposta ao degrauDifícil
Um circuito RLC série com R = 268 Ω, L = 200 mH e C = 1 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 = 268 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 10 V
tp = ms
7.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-baixas RL mostrado tem R = 220 Ω, L = 10 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 7 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.
R = 220 ΩL = 10 mHf = 7 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 52,5/(s(s + 5)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.
L(s) = 52,5/(s(s + 5))
ωc = rad/s
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 40
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 = 4·1 = 4
Área da saída
Ay = 10·4 = 40
Resposta
Ay = 40
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ym = 7,071
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)|.
Resposta em frequência
H(jω) = 10/(5 + jω)
Ganho na frequência da entrada
|H(j5)| = 10/√(5² + 5²) = 1,414
Ym = 5·1,414 = 7,071
Resposta
Ym = 7,071
3.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.3) = 6,97
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Frações parciais
4s + 37 = 4(s + 2) + 29
F(s) = 4/(s + 2) + 29/(s + 2)²
Transformada inversa
f(t) = 4·e−2t + 29·t·e−2t
f(0,3) = (4 + 29·0,3)·e−2·0,3 = 6,97
Resposta
f(0,3) = 6,97
4.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.2) = −5,589
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 − (−7)s − (−2) + 9(sY − (−7)) + 20Y = 0
Y(s) = (−7s − 65)/((s + 4)(s + 5))
Frações parciais
A = −37/1 = −37
B = −30/(−1) = 30
Resultado
y(t) = −37·e−4t + 30·e−5t
y(0,2) = −5,589
Resposta
y(0,2) = −5,589
Verificação: y(0) = A + B = −7.
5.Resposta ao degrau
Resposta: ζ = 0,75
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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75
Resultado
ζ = 0,75
Resposta
ζ = 0,75
6.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 1,473 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).
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 corte
ωc = R/L = 220/0,01 = 22000 rad/s
fc = 3501 Hz → f/fc = 7000/3501 = 1,999
Fase
φ = − atan(1,999) = −63,43°
Resposta
φ = −63,43°
8.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ωc = 6,44 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.