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)t23h(t)t42

O pulso x(t) = 3 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com resposta ao impulso h(t) = 2 para 0 ≤ t < 4 s (zero fora disso). Encontre a saída y(5,5) em t = 5,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 5,5 s
y(5.5) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
u[n]3+y[n]−0,8·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = −0,8·y[n − 1] + 3·x[n] e parte do repouso. A entrada é o degrau unitário x[n] = u[n]. Encontre y[5].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−51

F(s) = (5s + 16)/(s² + 9s + 20). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (5s + 16)/(s² + 9s + 20)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Um sistema obedece a y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t), com y(0) = 4 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 5. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,75).

y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 97/(s² + 11s + 97) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 97/(s² + 11s + 97)
tp = s
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 800 N/mc = 8 N·s/mm = 2 kgF = 10 Nx(t)

Uma massa m = 2 kg está pendurada em uma mola k = 800 N/m com um amortecedor viscoso c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 10 N é aplicada de repente. Encontre o sobressinal percentual %OS do deslocamento.

m = 2 kgk = 800 N/mc = 8 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 4,7 nFR = 2,2 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 2,2 kΩ, C = 4,7 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 77 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 2,2 kΩC = 4,7 nFf = 77 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) = 10/(s(s + 1)(s + 6)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 6))
GM = dB

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(5.5) = 3

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 ∈ [1,5, 2] → comprimento 0,5 s

Integral

y(5,5) = 3·2·0,5 = 3

Resposta

y(5,5) = 3

y(t) é um trapézio: sobe a partir de 0, fica em 12 e volta a 0 em t = 6 s.

2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y[5] = 1,23

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] = 0,6
y[2] = 2,52
y[3] = 0,984
y[4] = 2,213
y[5] = 1,23

Resultado

y[5] = 3·(1 − (−0,8)6)/(1 − (−0,8)) = 1,23

Resposta

y[5] = 1,23
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = −4

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 4) e faça s = −4: o termo em B desaparece.

A = (5s + 16)/(s + 5) |s = −4 = −4/1 = −4

Resposta

A = −4
(B = 9, então f(t) = −4·e−4t + 9·e−5t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.75) = 8,57

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 + 6s + 5)·Y(s) = 4s + 24 + 75/s
Y(s) = (4s² + 24s + 75)/(s(s + 1)(s + 5))

Frações parciais

A = 75/(1·5) = 15
B = 55/((−1)·4) = −13,75
C = 55/((−5)·(−4)) = 2,75

Resultado

y(t) = 15 − 13,75·e−t + 2,75·e−5t
y(0,75) = 8,57

Resposta

y(0,75) = 8,57

Verificação: y(0) = A + B + C = 4.

5.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,3845 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 = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9,849) = 0,5584

Resultado

ωd = 9,849·√(1 − 0,5584²) = 8,17 rad/s → tp = π/ωd = 0,3845 s

Resposta

tp = 0,3845 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 72,92 %

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) = √(800/2) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(800·2)) = 0,1

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72,92 %

Resposta

%OS = 72,92 %
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = 11,3 °

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/(2200·4,7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 77000/15392 = 5,003

Fase

φ = 90° − atan(5,003) = 11,3°

Resposta

φ = 11,3°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 12,46 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/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(42/10) = 12,46 dB

Resposta

GM = 12,46 dB

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