Sinais e Sistemas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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)t22h(t)t1

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (zero fora disso) é aplicado a um sistema com h(t) = e−0,5tu(t). Encontre a saída y(4) em t = 4 s, depois que o pulso terminou.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 4 s
y(4) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
δ[n]2+h[n]0,6·z⁻¹+

Um sistema obedece a y[n] = 0,6·y[n − 1] + 2·x[n] e parte do repouso. Encontre a amostra h[3] da sua resposta ao impulso.

y[n] = 0,6y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

F(s) = (3s + 8)/(s² + 3s + 2). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−t + B·e−2t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (3s + 8)/(s² + 3s + 2)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Um sistema obedece a y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t), com y(0) = 3 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 10. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 62/(s² + 9s + 62) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 62/(s² + 9s + 62)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 800 N/mc = 96 N·s/mm = 8 kgF = 25 Nx(t)

Uma massa m = 8 kg está pendurada em uma mola k = 800 N/m com um amortecedor viscoso c = 96 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 = 8 kgk = 800 N/mc = 96 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 5 mHC = 0,47 µFR = 5 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 5 Ω, com L = 5 mH e C = 0,47 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.

R = 5 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
BW = Hz
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) = 124/(s(s + 2)(s + 9)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 124/(s(s + 2)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(4) = 0,9302

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) = (2/0,5)(1 − e−1) = 2,528

Decaimento depois do pulso

y(4) = 2,528·e−0,5·2 = 0,9302

Resposta

y(4) = 0,9302
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h[3] = 0,432

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

h[0] = 2
h[1] = 1,2
h[2] = 0,72
h[3] = 0,432

Resultado

h[3] = 2·(0,6)3 = 0,432

Resposta

h[3] = 0,432
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 5

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 + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 1) e faça s = −1: o termo em B desaparece.

A = (3s + 8)/(s + 2) |s = −1 = 5/1 = 5

Resposta

A = 5
(B = −2, então f(t) = 5·e−t − 2·e−2t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.2) = 12,41

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

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 3s + 30 + 960/s
Y(s) = (3s² + 30s + 960)/(s(s + 4)(s + 6))

Frações parciais

A = 960/(4·6) = 40
B = 888/((−4)·2) = −111
C = 888/((−6)·(−2)) = 74

Resultado

y(t) = 40 − 111·e−4t + 74·e−6t
y(0,2) = 12,41

Resposta

y(0,2) = 12,41

Verificação: y(0) = A + B + C = 3.

5.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 11,21 %

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 = 62 → ωₙ = 7,874 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,874) = 0,5715

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,188 = 11,21 %

Resposta

%OS = 11,21 %
6.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,6

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) = √(800/8) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 96/(2·√(800·8)) = 0,6

Resultado

ζ = 0,6

Resposta

ζ = 0,6
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: BW = 159,2 Hz

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 ressonância

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·4,7 × 10⁻⁷) = 20628 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3283 Hz

Largura de banda

BW = R/L = 5/0,005 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Resposta

BW = 159,2 Hz
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 4,243 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/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4,243 rad/s

Resposta

ω180 = 4,243 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems