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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) = 10 para 0 ≤ t < 1 s é convoluído com o pulso h(t) = 3 para 0 ≤ t < 2 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 10, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
A entrada x(t) = 5·cos(60t) é aplicada a um sistema com h(t) = 5·e−20tu(t). Encontre a fase φ da saída em regime permanente em relação à entrada, em graus.
h(t) = 5e−20tu(t)x(t) = 5cos(60t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 6)) por frações parciais e calcule f(0,75).
F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 2 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,25).
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 31/(s² + 7s + 31) 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) = 31/(s² + 7s + 31)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma massa m = 10 kg está pendurada em uma mola k = 1000 N/m com um amortecedor viscoso c = 120 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 100 N é aplicada de repente. Encontre o sobressinal percentual %OS do deslocamento.
m = 10 kgk = 1000 N/mc = 120 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode e margensMédia
Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 90/((s + 1)(s + 10)) em ω = 1 rad/s, em dB.
G(s) = 90/((s + 1)(s + 10))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 2 dB.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))GM = 2 dB
K =
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 60
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 = 10·1 = 10
∫h dt = 3·2 = 6
Área da saída
Ay = 10·6 = 60
Resposta
Ay = 60
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: φ = −71,57 °
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) = 5/(20 + jω)
Fase na frequência da entrada
φ = −atan(60/20) = −71,57°
Resposta
φ = −71,57°
3.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.75) = 3,354
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 + 6)
A = 60/(2·6) = 5
B = 60/((−2)·4) = −7,5
C = 60/((−6)·(−4)) = 2,5
Transformada inversa
f(t) = 5 − 7,5·e−2t + 2,5·e−6t
Calcular
f(0,75) = 5 − 7,5·e−2·0,75 + 2,5·e−6·0,75 = 3,354
Resposta
f(0,75) = 3,354
4.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.25) = 2,056
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
Y(s) = 144/(s(s + 4)(s + 6))
Frações parciais
A = 144/(4·6) = 6
B = 144/((−4)·2) = −18
C = 144/((−6)·(−2)) = 12
Saídas
y(t) = 6 − 18·e−4t + 12·e−6t
y(0,25) = 2,056
Resposta
y(0,25) = 2,056
5.Resposta ao degrau
Resposta: ts = 1,143 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 = 31 → ωₙ = 5,568 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,568) = 0,6286
Resultado
ζωₙ = 3,5 → ts ≈ 4/3,5 = 1,143 s
Resposta
ts = 1,143 s
6.Resposta ao degrau
Resposta: %OS = 9,478 %
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 = √(k/m) = √(1000/10) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 120/(2·√(1000·10)) = 0,6
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,478 %
Resposta
%OS = 9,478 %
7.Diagramas de Bode e margens
Resposta: |G(jω)| = 16,03 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.
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.