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)t−21h(t)t34

O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = −2 s e t = 1 s, e h(t) apenas entre t = 3 s e t = 4 s. Encontre a duração D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −2 … 1 sh: 3 … 4 s
D = s
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)0,52410

Um trem de pulsos tem altura 10, largura de pulso 0,5 ms e período 2 ms. Encontre sua componente CC (valor médio) c0.

A = 10τ = 0,5 msT = 2 ms
c0 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (2s + 39)/(s² + 5s + 4). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−t + B·e−4t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (2s + 39)/(s² + 5s + 4)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Resolva y″ + 3y′ + 2y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = 1 usando a transformada de Laplace e encontre y(1).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 2y′(0) = 1t = 1 s
y(1) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 12/(s² + 3s + 6) 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) = 12/(s² + 3s + 6)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+245s(s + 12)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 245/(s(s + 12)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 245/(s(s + 12))
ts = s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 10 nFR = 1 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 1 kΩ, C = 10 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 48 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 1 kΩC = 10 nFf = 48 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (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) = 112/(s(s + 8)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 112/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: D = 4 s

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).

Início e fim

tstart = −2 + 3 = 1 s
tend = 1 + 4 = 5 s

Resposta

D = 4 s

Resposta

D = 4 s
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c0 = 2,5

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 = 0,5/2 = 0,25

Valor médio

c₀ = 10·0,25 = 2,5

Resposta

c0 = 2,5
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 12,33

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 + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 4)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 1) e faça s = −1: o termo em B desaparece.

A = (2s + 39)/(s + 4) |s = −1 = 37/3 = 12,33

Resposta

A = 12,33
(B = −10,33, então f(t) = 12,33·e−t − 10,33·e−4t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(1) = 1,433

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 − 2s − 1 + 3(sY − 2) + 2Y = 0
Y(s) = (2s + 7)/((s + 1)(s + 2))

Frações parciais

A = 5/1 = 5
B = 3/(−1) = −3

Resultado

y(t) = 5·e−t − 3·e−2t
y(1) = 1,433

Resposta

y(1) = 1,433

Verificação: y(0) = A + B = 2.

5.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 2,667 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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,449) = 0,6124

Resultado

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Resposta

ts = 2,667 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 0,6667 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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = 245/(s² + 12s + 245): ωₙ = 15,65 rad/s, ζ = 0,3833

Tempo de acomodação

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Resposta

ts = 0,6667 s

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: φ = 18,34 °

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 = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁸) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 48000/15915 = 3,016

Fase

φ = 90° − atan(3,016) = 18,34°

Resposta

φ = 18,34°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 9,191 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 + 64ω² − 12544 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·12544))/2 = 84,48
ωc = 9,191 rad/s

Resposta

ωc = 9,191 rad/s

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