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)t22

O pulso x(t) = 4 para 0 ≤ t < 2 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 2 em t = 0 até 0 em t = 2 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 2, h(2) = 0
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)2485−5

Uma onda triangular sobe e desce linearmente entre −5 e +5 com período T = 4 ms. Encontre a amplitude c3 da sua componente de Fourier em 750 Hz.

±5T = 4 msf = 750 Hz
c3 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 30)/(s² + 12s + 32). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (5s + 30)/(s² + 12s + 32)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Um sistema obedece a y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t), com y(0) = 2 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 4. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,25).

y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 34,5/(s² + 2s + 69) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 34,5/(s² + 2s + 69)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+195s(s + 4)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 195/(s(s + 4)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 195/(s(s + 4))
ts = s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 1224/((s + 9)(s + 17)) em ω = 1 rad/s, em dB.

G(s) = 1224/((s + 9)(s + 17))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (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) = 1440/(s(s + 20)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 1440/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ay = 16

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).

Áreas das entradas

∫x dt = 4·2 = 8
∫h dt = ½·2·2 = 2

Área da saída

Ay = 8·2 = 16

Resposta

Ay = 16
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c3 = 0,4503

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)|.

Número do harmônico

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 3

Amplitude

c3 = 8·5/(π²·3²) = 0,4503

Resposta

c3 = 0,4503
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 2,5

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

Regra de cobertura

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

A = (5s + 30)/(s + 8) |s = −4 = 10/4 = 2,5

Resposta

A = 2,5
(B = 2,5, então f(t) = 2,5·e−4t + 2,5·e−8t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.25) = 5,898

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 + 9s + 18)·Y(s) = 2s + 18 + 288/s
Y(s) = (2s² + 18s + 288)/(s(s + 3)(s + 6))

Frações parciais

A = 288/(3·6) = 16
B = 252/((−3)·3) = −28
C = 252/((−6)·(−3)) = 14

Resultado

y(t) = 16 − 28·e−3t + 14·e−6t
y(0,25) = 5,898

Resposta

y(0,25) = 5,898

Verificação: y(0) = A + B + C = 2.

5.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 4 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 = 69 → ωₙ = 8,307 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8,307) = 0,1204

Resultado

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Resposta

ts = 4 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 2 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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = 195/(s² + 4s + 195): ωₙ = 13,96 rad/s, ζ = 0,1432

Tempo de acomodação

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Resposta

ts = 2 s

Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.

7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 17,99 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(j1)| = 1224/(√(1² + 9²)·√(1² + 17²)) = 1224/(9,055·17,03) = 7,937

Resultado

20·log₁₀(7,937) = 17,99 dB

Resposta

|G(jω)| = 17,99 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 35,41 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 ganho

ω⁴ + 400ω² − 2,074 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2,074 × 10⁶))/2 = 1254
ωc = 35,41 rad/s

Resposta

ωc = 35,41 rad/s

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