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)t5h(t)t1

A entrada x(t) = 5·e−1tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−4tu(t). Encontre a saída y(2) em t = 2 s.

x(t) = 5·e−1tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)420402

Um trem de pulsos tem altura 2, largura de pulso 4 ms e período 20 ms. Encontre a amplitude c2 do harmônico de número 2, em 100 Hz.

A = 2τ = 4 msT = 20 ms
c2 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 4)) por frações parciais e calcule f(0,3).

F(s) = 20/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 3y′ + 2y = 3u′ + 20u, com entrada u(t) e saída y(t). Encontre sua função de transferência G(s) = Y(s)/U(s) (condições iniciais nulas) e calcule a resposta ao impulso g(t) em t = 0,2 s. Encontre g(0,2).

y″ + 3y′ + 2y = 3u′ + 20ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 60/(s² + 6s + 60) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 60/(s² + 6s + 60)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 6)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 2 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 2 %
K =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 10 kΩC = 1 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 10 kΩ, C = 1 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 160 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 10 kΩC = 1 nFf = 160 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 180/(s(s + 10)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 180/(s(s + 10))
PM = °

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(2) = 0,225

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).

Integral de convolução

y(t) = 5e−4t∫₀ᵗ e−(1 − 4)τ dτ = 5(e−4t − e−1t)/(−3)

Calcular

y(2) = 5·(0,0003355 − 0,1353)/(−3) = 0,225

Resposta

y(2) = 0,225
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c2 = 0,6055

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)|.

Ciclo de trabalho

D = 4/20 = 0,2

Amplitude do harmônico

c2 = (2·2/(2π))·|sin(2π·0,2)| = 0,6055

Resposta

c2 = 0,6055
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.3) = 0,4622

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 + 4)
A = 20/(3·4) = 1,667
B = 20/((−3)·1) = −6,667
C = 20/((−4)·(−1)) = 5

Transformada inversa

f(t) = 1,667 − 6,667·e−3t + 5·e−4t

Calcular

f(0,3) = 1,667 − 6,667·e−3·0,3 + 5·e−4·0,3 = 0,4622

Resposta

f(0,3) = 0,4622
4.Transformadas de Laplace

Resposta: g(0.2) = 4,534

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).

Função de transferência

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 20)/(s² + 3s + 2)

Frações parciais

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 17, B = −14

Resposta ao impulso

g(t) = 17·e−t − 14·e−2t
g(0,2) = 4,534

Resposta

g(0,2) = 4,534
5.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 26,72 %

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 = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7,746) = 0,3873

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,32 = 26,72 %

Resposta

%OS = 26,72 %
6.Resposta ao degrau

Resposta: K = 14,8

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) = K/(s² + 6s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Ganho

ωₙ = 6/(2ζ) = 3,848 rad/s
K = ωₙ² = 14,8

Resposta

K = 14,8
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −84,32 °

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/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 160000/15915 = 10,05

Fase

φ = − atan(10,05) = −84,32°

Resposta

φ = −84,32°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 40,53 °

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 + 100ω² − 32400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·32400))/2 = 136,8
ωc = 11,7 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(11,7/10) = −139,5°
PM = 180° + ∠L = 40,53°

Resposta

PM = 40,53°

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