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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
O sinal x(t) é não nulo apenas entre t = −1 s e t = 1 s, e h(t) apenas entre t = 3 s e t = 5 s. Encontre a duração D de y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 1 sh: 3 … 5 s
D = s
2.Convolução e sistemas LITDifícil
Uma onda quadrada comuta entre 4 e 0 com período T = 20 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c5 da sua componente de Fourier em 250 Hz.
0 … 4T = 20 msf = 250 Hz
c5 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,1).
F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 5y′ + 4y = 0 com y(0) = −5 e y′(0) = −14 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,2).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = −5y′(0) = −14t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 60/(s² + 2s + 20) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.
G(s) = 60/(s² + 2s + 20)
ωn = rad/s
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 265/(s(s + 6)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 265/(s(s + 6))
ts = s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 3,3 kΩ, C = 1 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 12 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.
R = 3,3 kΩC = 1 nFf = 12 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 3 dB.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))GM = 3 dB
K =
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: D = 4 s
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).
Início e fim
tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 1 + 5 = 6 s
Resposta
D = 4 s
Resposta
D = 4 s
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c5 = 0,5093
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 = 50 Hz → k = 250/50 = 5
Amplitude
c5 = 4·2/(5π) = 0,5093
Resposta
c5 = 0,5093
3.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.1) = 0,1155
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 + 3) + C/(s + 5)
A = 30/(3·5) = 2
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3
Transformada inversa
f(t) = 2 − 5·e−3t + 3·e−5t
Calcular
f(0,1) = 2 − 5·e−3·0,1 + 3·e−5·0,1 = 0,1155
Resposta
f(0,1) = 0,1155
4.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.2) = −6,433
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 − (−5)s − (−14) + 5(sY − (−5)) + 4Y = 0
Y(s) = (−5s − 39)/((s + 1)(s + 4))
Frações parciais
A = −34/3 = −11,33
B = −19/(−3) = 6,333
Resultado
y(t) = −11,33·e−t + 6,333·e−4t
y(0,2) = −6,433
Resposta
y(0,2) = −6,433
Verificação: y(0) = A + B = −5.
5.Resposta ao degrau
Resposta: ωn = 4,472 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).
Compare com a forma padrão
O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,472) = 0,2236
Resultado
ωₙ = 4,472 rad/s
Resposta
ωn = 4,472 rad/s
6.Resposta ao degrau
Resposta: ts = 1,333 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).
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: φ = −13,97 °
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/(3300·1 × 10⁻⁹) = 303030 rad/s
fc = 48229 Hz → f/fc = 12000/48229 = 0,2488
Fase
φ = − atan(0,2488) = −13,97°
Resposta
φ = −13,97°
8.Diagramas de Bode e margens
Resposta: K = 21,24
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.