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)t21h(t)t1

O pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com h(t) = e−4tu(t). Encontre a saída y(4) em t = 4 s, depois que o pulso terminou.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−4tu(t)t = 4 s
y(4) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
u[n]0,5+y[n]0,8·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] e parte do repouso. A entrada é o degrau unitário x[n] = u[n]. Encontre y[2].

y[n] = 0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 19/(s² + 11s + 28). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−4t + B·e−7t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = 19/(s² + 11s + 28)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−1−1,50,51

Um sistema é descrito pela equação diferencial y″ + 2y′ + 2y = 4u′ + 6u, 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 = 1,5 s. Encontre g(1,5).

y″ + 2y′ + 2y = 4u′ + 6ut = 1,5 s
g(1.5) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 48/(s² + 2s + 48) 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) = 48/(s² + 2s + 48)
ts = s
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 2000 N/mc = 200 N·s/mm = 20 kgF = 25 Nx(t)

Uma massa m = 20 kg está pendurada em uma mola k = 2000 N/m com um amortecedor viscoso c = 200 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 25 N é aplicada de repente. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 2000 N/mc = 200 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 0,5

Encontre a fase ∠G(jω) de G(s) = 13(s + 1)/(s(s + 7)) em ω = 0,5 rad/s, em graus.

G(s) = 13(s + 1)/(s(s + 7))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 50/(s(s + 1)(s + 8)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 50/(s(s + 1)(s + 8))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(4) = 8,384 × 10⁻⁵

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).

Saída no fim do pulso

y(2) = (1/4)(1 − e−8) = 0,2499

Decaimento depois do pulso

y(4) = 0,2499·e−4·2 = 8,384 × 10⁻⁵

Resposta

y(4) = 8,384 × 10⁻⁵
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y[2] = 1,22

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)|.

Itere

y[0] = 0,5
y[1] = 0,9
y[2] = 1,22

Resultado

y[2] = 0,5·(1 − (0,8)3)/(1 − 0,8) = 1,22

Resposta

y[2] = 1,22
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 6,333

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 + 11s + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)

Regra de cobertura

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

A = 19/(s + 7) |s = −4 = 19/3 = 6,333

Resposta

A = 6,333
(B = −6,333, então f(t) = 6,333·e−4t − 6,333·e−7t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: g(1.5) = 0,5083

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) = (4s + 6)/(s² + 2s + 2)

Frações parciais

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (2/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Resposta ao impulso

g(t) = e−t·(4·cos 1t + 2·sin 1t)
g(1,5) = 0,5083

Resposta

g(1,5) = 0,5083
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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,928) = 0,1443

Resultado

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Resposta

ts = 4 s
6.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,5

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 = √(k/m) = √(2000/20) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 200/(2·√(2000·20)) = 0,5

Resultado

ζ = 0,5

Resposta

ζ = 0,5
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ∠G(jω) = −67,52 °

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.

Some os ângulos

∠G = atan(0,5/1) − 90° − atan(0,5/7) = 26,57° − 90° − 4,086°

Resultado

∠G(j0,5) = −67,52°

Resposta

∠G(jω) = −67,52°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 2,828 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 fase

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Resposta

ω180 = 2,828 rad/s

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