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−2tu(t) é aplicada a um sistema com h(t) = e−0,5tu(t). Encontre a saída y(0,25) em t = 0,25 s.

x(t) = 5·e−2tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
5cos(6t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

A entrada x(t) = 5·cos(6t) é aplicada a um sistema com h(t) = 5·e−2tu(t). Encontre a amplitude Ym da saída em regime permanente.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 5cos(6t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Encontre f(t) para F(s) = (3s + 40)/(s² + 2s + 1) e calcule f(0,4).

F(s) = (3s + 40)/(s² + 2s + 1)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Um sistema obedece a y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 5 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(1,2).

y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 6,5/(s² + 2s + 13) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 6,5/(s² + 2s + 13)
σ =
6.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 20)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 20 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 20 %
K =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 22 kΩC = 2,2 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 22 kΩ, C = 2,2 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 16 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 22 kΩC = 2,2 nFf = 16 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 60/(s(s + 4)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 60/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(0.25) = 0,9199

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−0,5t∫₀ᵗ e−(2 − 0,5)τ dτ = 5(e−0,5t − e−2t)/(1,5)

Calcular

y(0,25) = 5·(0,8825 − 0,6065)/(1,5) = 0,9199

Resposta

y(0,25) = 0,9199
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ym = 3,953

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) = 5/(2 + jω)

Ganho na frequência da entrada

|H(j6)| = 5/√(2² + 6²) = 0,7906
Ym = 5·0,7906 = 3,953

Resposta

Ym = 3,953
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.4) = 11,93

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Frações parciais

3s + 40 = 3(s + 1) + 37
F(s) = 3/(s + 1) + 37/(s + 1)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−t + 37·t·e−t
f(0,4) = (3 + 37·0,4)·e−0,4 = 11,93

Resposta

f(0,4) = 11,93
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(1.2) = 1,221

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

Y(s) = 5/(s(s + 1)(s + 2))

Frações parciais

A = 5/(1·2) = 2,5
B = 5/((−1)·1) = −5
C = 5/((−2)·(−1)) = 2,5

Saídas

y(t) = 2,5 − 5·e−t + 2,5·e−2t
y(1,2) = 1,221

Resposta

y(1,2) = 1,221
5.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −1

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 = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,606) = 0,2774

Resultado

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Resposta

σ = −1
6.Resposta ao degrau

Resposta: K = 481

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 + 20s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

Ganho

ωₙ = 20/(2ζ) = 21,93 rad/s
K = ωₙ² = 481

Resposta

K = 481
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −78,39 °

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/(22000·2,2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 16000/3288 = 4,866

Fase

φ = − atan(4,866) = −78,39°

Resposta

φ = −78,39°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 7,248 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 + 16ω² − 3600 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3600))/2 = 52,53
ωc = 7,248 rad/s

Resposta

ωc = 7,248 rad/s

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