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)t24h(t)t41

O pulso x(t) = 4 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com resposta ao impulso h(t) = 1 para 0 ≤ t < 4 s (zero fora disso). Encontre a saída y(0,5) em t = 0,5 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
δ(t)y′ + 0,5y = 2xh(t)

Um sistema obedece a y′(t) + 0,5·y(t) = 2·x(t). Encontre sua resposta ao impulso em t = 1 s, h(1).

y′ + 0,5y = 2xt = 1 s
h(1) =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,4).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Resolva y″ + 11y′ + 30y = 0 com y(0) = 6 e y′(0) = 5 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 6y′(0) = 5t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)2?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 104/(s² + 11s + 52) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 104/(s² + 11s + 52)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 500 N/mc = 40 N·s/mm = 20 kgF = 5 Nx(t)

Uma massa m = 20 kg está pendurada em uma mola k = 500 N/m com um amortecedor viscoso c = 40 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 5 N é aplicada de repente. Encontre o maior deslocamento xmax em mm.

m = 20 kgk = 500 N/mc = 40 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
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 10 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 10 kHz
φ = °
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) = 396/(s(s + 4)(s + 10)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 396/(s(s + 4)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(0.5) = 2

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).

Sobreposição do pulso invertido

h(t − τ) é o pulso de h invertido e deslocado de modo que termine em τ = t.

τ ∈ [0, 0,5] → comprimento 0,5 s

Integral

y(0,5) = 4·1·0,5 = 2

Resposta

y(0,5) = 2

y(t) é um trapézio: sobe a partir de 0, fica em 8 e volta a 0 em t = 6 s.

2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h(1) = 1,213

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)|.

Função de transferência

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 0,5)

Resposta ao impulso

h(t) = 2·e−0,5tu(t)
h(1) = 2·e−0,5 = 1,213

Resposta

h(1) = 1,213
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.4) = 0,7837

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 + 1) + C/(s + 5)
A = 20/(1·5) = 4
B = 20/((−1)·4) = −5
C = 20/((−5)·(−4)) = 1

Transformada inversa

f(t) = 4 − 5·e−t + e−5t

Calcular

f(0,4) = 4 − 5·e−0,4 + e−5·0,4 = 0,7837

Resposta

f(0,4) = 0,7837
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.2) = 4,541

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 − 6s − 5 + 11(sY − 6) + 30Y = 0
Y(s) = (6s + 71)/((s + 5)(s + 6))

Frações parciais

A = 41/1 = 41
B = 35/(−1) = −35

Resultado

y(t) = 41·e−5t − 35·e−6t
y(0,2) = 4,541

Resposta

y(0,2) = 4,541

Verificação: y(0) = A + B = 6.

5.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 2,46 %

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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,211) = 0,7627

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,705 = 2,46 %

Resposta

%OS = 2,46 %
6.Resposta ao degrau

Resposta: xmax = 15,27 mm

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) = √(500/20) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(500·20)) = 0,2

Resultado

xst = F/k = 5/500 m = 10 mm
%OS = 52,66 %
xmax = 10·(1 + 0,5266) = 15,27 mm

Resposta

xmax = 15,27 mm
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −71,29 °

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 = 10000/3386 = 2,953

Fase

φ = − atan(2,953) = −71,29°

Resposta

φ = −71,29°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 6,325 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 fase

(ω/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Resposta

ω180 = 6,325 rad/s

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