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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
Um sistema tem resposta ao impulso h(t) = e−1tu(t). A entrada é um degrau x(t) = 2·u(t). Encontre a saída y(0,4) em t = 0,4 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
A entrada x(t) = 2·cos(4t) é aplicada a um sistema com h(t) = 10·e−2tu(t). Encontre a amplitude Ym da saída em regime permanente.
h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMédia
F(s) = (s + 5)/(s² + 13s + 42). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.
F(s) = (s + 5)/(s² + 13s + 42)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 11y′ + 30y = 0 com y(0) = 5 e y′(0) = −1 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).
y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 5y′(0) = −1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 25,5/(s² + 4s + 51) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.
G(s) = 25,5/(s² + 4s + 51)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma massa m = 1 kg está pendurada em uma mola k = 500 N/m com um amortecedor viscoso c = 22 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 fator de amortecimento ζ.
m = 1 kgk = 500 N/mc = 22 N·s/mF = 5 N
ζ =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 2,9 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.
R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 2,9 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 474/(s(s + 7)(s + 10)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 474/(s(s + 7)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: y(0.4) = 0,6594
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) = 2·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (2/1)·(1 − e−1t)
Calcular
y(0,4) = 2·(1 − e−0,4) = 0,6594
Resposta
y(0,4) = 0,6594
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ym = 4,472
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)
Ganho na frequência da entrada
|H(j4)| = 10/√(2² + 4²) = 2,236
Ym = 2·2,236 = 4,472
Resposta
Ym = 4,472
3.Transformadas de Laplace
Resposta: A = −1
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 + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)
Regra de cobertura
Multiplique por (s + 6) e faça s = −6: o termo em B desaparece.
A = (s + 5)/(s + 7) |s = −6 = −1/1 = −1
Resposta
A = −1
(B = 2, então f(t) = −e−6t + 2·e−7t)
4.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.1) = 4,418
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 − 5s − (−1) + 11(sY − 5) + 30Y = 0
Y(s) = (5s + 54)/((s + 5)(s + 6))
Frações parciais
A = 29/1 = 29
B = 24/(−1) = −24
Resultado
y(t) = 29·e−5t − 24·e−6t
y(0,1) = 4,418
Resposta
y(0,1) = 4,418
Verificação: y(0) = A + B = 5.
5.Resposta ao degrau
Resposta: %OS = 39,99 %
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 = 51 → ωₙ = 7,141 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,141) = 0,2801
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,9165 = 39,99 %
Resposta
%OS = 39,99 %
6.Resposta ao degrau
Resposta: ζ = 0,4919
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) = √(500/1) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 22/(2·√(500·1)) = 0,4919
Resultado
ζ = 0,4919
Resposta
ζ = 0,4919
7.Diagramas de Bode e margens
Resposta: φ = 13,95 °
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/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2900/720,5 = 4,025
Fase
φ = 90° − atan(4,025) = 13,95°
Resposta
φ = 13,95°
8.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ω180 = 8,367 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.