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)t10h(t)t1

A entrada x(t) = 10·e−3tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−2tu(t). Encontre a saída y(0,5) em t = 0,5 s.

x(t) = 10·e−3tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
u[n]3+y[n]0,6·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,6·y[n − 1] + 3·x[n] e parte do repouso. A entrada é o degrau unitário x[n] = u[n]. Encontre y[2].

y[n] = 0,6y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (3s + 4)/(s² + 7s + 12). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (3s + 4)/(s² + 7s + 12)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Um sistema obedece a y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t), com y(0) = 3 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 1. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 18·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 195/(s² + 6s + 65) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 195/(s² + 6s + 65)
σ =
6.Resposta ao degrauDifícil
+−5 VR = 90 ΩL = 500 mHC = 22 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 90 Ω, L = 500 mH e C = 22 µF é ligado a um degrau de 5 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre a frequência natural não amortecida ωn em rad/s.

R = 90 ΩL = 500 mHC = 22 µFV = 5 V
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 4,7 kΩC = 10 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 34 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 34 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 42,5/(s(s + 5)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 42,5/(s(s + 5))
PM = °

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(0.5) = 1,447

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).

Integral de convolução

y(t) = 10e−2t∫₀ᵗ e−(3 − 2)τ dτ = 10(e−2t − e−3t)/(1)

Calcular

y(0,5) = 10·(0,3679 − 0,2231)/(1) = 1,447

Resposta

y(0,5) = 1,447
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y[2] = 5,88

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)|.

Itere

y[0] = 3
y[1] = 4,8
y[2] = 5,88

Resultado

y[2] = 3·(1 − (0,6)3)/(1 − 0,6) = 5,88

Resposta

y[2] = 5,88
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = −5

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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 3) e faça s = −3: o termo em B desaparece.

A = (3s + 4)/(s + 4) |s = −3 = −5/1 = −5

Resposta

A = −5
(B = 8, então f(t) = −5·e−3t + 8·e−4t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.2) = 3

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

(s² + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 18/s
Y(s) = (3s² + 15s + 18)/(s(s + 2)(s + 3))

Frações parciais

A = 18/(2·3) = 3
B = 0/((−2)·1) = 0
C = 0/((−3)·(−1)) = 0

Resultado

y(t) = 3
y(0,2) = 3

Resposta

y(0,2) = 3

Verificação: y(0) = A + B + C = 3.

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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,062) = 0,3721

Resultado

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Resposta

σ = −3
6.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 301,5 rad/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).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·2,2 × 10⁻⁵) = 301,5 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (90/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,5) = 0,2985

Resultado

ωₙ = 301,5 rad/s

Resposta

ωn = 301,5 rad/s
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −84,31 °

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/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 34000/3386 = 10,04

Fase

φ = − atan(10,04) = −84,31°

Resposta

φ = −84,31°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 41,56 °

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 + 25ω² − 1806 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·1806))/2 = 31,8
ωc = 5,639 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(5,639/5) = −138,4°
PM = 180° + ∠L = 41,56°

Resposta

PM = 41,56°

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