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)t42h(t)t21

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 4 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 1 em t = 0 até 0 em t = 2 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 1, h(2) = 0
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)1020401

Uma onda quadrada comuta entre 1 e 0 com período T = 20 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c7 da sua componente de Fourier em 350 Hz.

0 … 1T = 20 msf = 350 Hz
c7 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Encontre f(t) para F(s) = (3s + 38)/(s² + 10s + 25) e calcule f(0,1).

F(s) = (3s + 38)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Resolva y″ + 11y′ + 30y = 0 com y(0) = −5 e y′(0) = 8 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = −5y′(0) = 8t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 31/(s² + 2s + 31) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.

G(s) = 31/(s² + 2s + 31)
ωn = rad/s
6.Resposta ao degrauDifícil
+−24 VR = 60 ΩL = 20 mHC = 2 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 60 Ω, L = 20 mH e C = 2 µF é ligado a um degrau de 24 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre o instante tp do primeiro pico de tensão, em ms.

R = 60 ΩL = 20 mHC = 2 µFV = 24 V
tp = ms
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 100 nFR = 1 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 1 kΩ, C = 100 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 3,2 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 3,2 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 8,8/(s(s + 4)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 8,8/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ay = 8

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 = 2·4 = 8
∫h dt = ½·2·1 = 1

Área da saída

Ay = 8·1 = 8

Resposta

Ay = 8
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c7 = 0,09095

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 = 350/50 = 7

Amplitude

c7 = 4·0,5/(7π) = 0,09095

Resposta

c7 = 0,09095
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.1) = 3,215

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Frações parciais

3s + 38 = 3(s + 5) + 23
F(s) = 3/(s + 5) + 23/(s + 5)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−5t + 23·t·e−5t
f(0,1) = (3 + 23·0,1)·e−5·0,1 = 3,215

Resposta

f(0,1) = 3,215
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = −4,014

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 − 8 + 11(sY − (−5)) + 30Y = 0
Y(s) = (−5s − 47)/((s + 5)(s + 6))

Frações parciais

A = −22/1 = −22
B = −17/(−1) = 17

Resultado

y(t) = −22·e−5t + 17·e−6t
y(0,1) = −4,014

Resposta

y(0,1) = −4,014

Verificação: y(0) = A + B = −5.

5.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 5,568 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 = 31 → ωₙ = 5,568 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5,568) = 0,1796

Resultado

ωₙ = 5,568 rad/s

Resposta

ωn = 5,568 rad/s
6.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,6587 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2 × 10⁻⁶) = 5000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (60/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,02) = 0,3

Resultado

ωd = 4770 rad/s
tp = π/ωd = 0,6587 ms

Resposta

tp = 0,6587 ms
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −0,9599 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.

Frequência de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 3200/1592 = 2,011

Ganho

|H| = 2,011/√(1 + 2,011²) = 0,8954
20·log₁₀(0,8954) = −0,9599 dB

Resposta

|H| = −0,9599 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 1,973 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 − 77,44 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·77,44))/2 = 3,893
ωc = 1,973 rad/s

Resposta

ωc = 1,973 rad/s

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