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)t1h(t)t0,251

Um sistema tem resposta ao impulso h(t) = e−4tu(t). A entrada é um degrau x(t) = 1·u(t). Encontre a saída y(0,125) em t = 0,125 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,125 s
y(0.125) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
5cos(4t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

A entrada x(t) = 5·cos(4t) é aplicada a um sistema com h(t) = 10·e−2tu(t). Encontre a fase φ da saída em regime permanente em relação à entrada, em graus.

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 5cos(4t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−5−105

Encontre f(t) para F(s) = (4s + 39)/(s² + 2s + 26) completando o quadrado e calcule f(0,6).

F(s) = (4s + 39)/(s² + 2s + 26)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Resolva y″ + 8y′ + 15y = 0 com y(0) = 4 e y′(0) = −6 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = −6t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 51/(s² + 6s + 17) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 51/(s² + 6s + 17)
σ =
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 6)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 2 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 2 %
K =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 15

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 952/((s + 4)(s + 14)) em ω = 15 rad/s, em dB.

G(s) = 952/((s + 4)(s + 14))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 76/(s(s + 2)(s + 10)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 76/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(0.125) = 0,09837

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).

Convolução com um degrau

y(t) = 1·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)

Calcular

y(0,125) = 0,25·(1 − e−0,5) = 0,09837

Resposta

y(0,125) = 0,09837
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: φ = −63,43 °

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/(2 + jω)

Fase na frequência da entrada

φ = −atan(4/2) = −63,43°

Resposta

φ = −63,43°
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.6) = −1,631

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).

Complete o quadrado

s² + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

Associe o numerador

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (35/5)·5/((s + 1)² + 5²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(4·cos 5t + 7·sin 5t)
f(0,6) = e−0,6·(4·cos(5·0,6) + 7·sin(5·0,6)) = −1,631

Resposta

f(0,6) = −1,631
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = 3,366

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 − 4s − (−6) + 8(sY − 4) + 15Y = 0
Y(s) = (4s + 26)/((s + 3)(s + 5))

Frações parciais

A = 14/2 = 7
B = 6/(−2) = −3

Resultado

y(t) = 7·e−3t − 3·e−5t
y(0,1) = 3,366

Resposta

y(0,1) = 3,366

Verificação: y(0) = A + B = 4.

5.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −3

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 = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,123) = 0,7276

Resultado

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Resposta

σ = −3
6.Resposta ao degrau

Resposta: K = 14,8

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) = K/(s² + 6s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Ganho

ωₙ = 6/(2ζ) = 3,848 rad/s
K = ωₙ² = 14,8

Resposta

K = 14,8
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 9,51 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.

Multiplique os módulos

|G(j15)| = 952/(√(15² + 4²)·√(15² + 14²)) = 952/(15,52·20,52) = 2,989

Resultado

20·log₁₀(2,989) = 9,51 dB

Resposta

|G(jω)| = 9,51 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 9,988 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.

Cruzamento de fase

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(240/76) = 9,988 dB

Resposta

GM = 9,988 dB

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