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

x(t) = 5·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)12410−10

Uma onda quadrada comuta entre +10 e −10 com período T = 2 ms (meio período em cada nível). Encontre a amplitude c5 da sua componente de Fourier em 2500 Hz.

±10T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (4s + 40)/(s² + 9s + 14). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−2t + B·e−7t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (4s + 40)/(s² + 9s + 14)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Resolva y″ + 7y′ + 10y = 0 com y(0) = 2 e y′(0) = −5 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 2y′(0) = −5t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 98/(s² + 10s + 98) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 98/(s² + 10s + 98)
%OS = %
6.Resposta ao degrauDifícil
+−5 VR = 18 ΩL = 20 mHC = 22 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 18 Ω, L = 20 mH e C = 22 µF é ligado a um degrau de 5 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre a frequência natural não amortecida ωn em rad/s.

R = 18 ΩL = 20 mHC = 22 µFV = 5 V
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 4,7 nFR = 47 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 2,2 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 2,2 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 84/(s(s + 7)(s + 8)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 84/(s(s + 7)(s + 8))
GM = dB

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: y(1) = 0,2925

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−2t∫₀ᵗ e−(4 − 2)τ dτ = 5(e−2t − e−4t)/(2)

Calcular

y(1) = 5·(0,1353 − 0,01832)/(2) = 0,2925

Resposta

y(1) = 0,2925
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c5 = 2,546

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 = 500 Hz → k = 2500/500 = 5

Amplitude

c5 = 4·10/(5π) = 2,546

Resposta

c5 = 2,546
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 6,4

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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 2) e faça s = −2: o termo em B desaparece.

A = (4s + 40)/(s + 7) |s = −2 = 32/5 = 6,4

Resposta

A = 6,4
(B = −2,4, então f(t) = 6,4·e−2t − 2,4·e−7t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = 1,567

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 − 2s − (−5) + 7(sY − 2) + 10Y = 0
Y(s) = (2s + 9)/((s + 2)(s + 5))

Frações parciais

A = 5/3 = 1,667
B = −1/(−3) = 0,3333

Resultado

y(t) = 1,667·e−2t + 0,3333·e−5t
y(0,1) = 1,567

Resposta

y(0,1) = 1,567

Verificação: y(0) = A + B = 2.

5.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 15,91 %

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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9,899) = 0,5051

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,838 = 15,91 %

Resposta

%OS = 15,91 %
6.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 1508 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).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2 × 10⁻⁵) = 1508 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (18/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,02) = 0,2985

Resultado

ωₙ = 1508 rad/s

Resposta

ωn = 1508 rad/s
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −0,4425 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/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2200/720,5 = 3,054

Ganho

|H| = 3,054/√(1 + 3,054²) = 0,9503
20·log₁₀(0,9503) = −0,4425 dB

Resposta

|H| = −0,4425 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 20 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.

Cruzamento de fase

(ω/7)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7,483 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 64)) = K/(7·8·(7 + 8)) = K/840

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(840/84) = 20 dB

Resposta

GM = 20 dB

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