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)t15h(t)t43

O pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 1 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 3 em t = 0 até 0 em t = 4 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
x(t)t (ms)0,51210−10

Uma onda triangular sobe e desce linearmente entre −10 e +10 com período T = 1 ms. Encontre a amplitude c1 da sua componente de Fourier em 1000 Hz.

±10T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (5s + 10)/(s² + 9s + 18). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (5s + 10)/(s² + 9s + 18)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Resolva y″ + 9y′ + 20y = 0 com y(0) = −3 e y′(0) = 10 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,1).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −3y′(0) = 10t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)2

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 8/(s² + 3s + 4) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.

G(s) = 8/(s² + 3s + 4)
ζ =
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 400 N/mc = 19 N·s/mm = 2,5 kgF = 25 Nx(t)

Uma massa m = 2,5 kg está pendurada em uma mola k = 400 N/m com um amortecedor viscoso c = 19 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 = 2,5 kgk = 400 N/mc = 19 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 47 kΩC = 100 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 47 kΩ, C = 100 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 340 Hz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 47 kΩC = 100 nFf = 340 Hz
φ = °
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 760/(s(s + 20)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 760/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ay = 30

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 = 5·1 = 5
∫h dt = ½·4·3 = 6

Área da saída

Ay = 5·6 = 30

Resposta

Ay = 30
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: c1 = 8,106

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 = 1000 Hz → k = 1

Amplitude

c1 = 8·10/(π²·1²) = 8,106

Resposta

c1 = 8,106
3.Transformadas de Laplace

Resposta: A = −1,667

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 + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 3) e faça s = −3: o termo em B desaparece.

A = (5s + 10)/(s + 6) |s = −3 = −5/3 = −1,667

Resposta

A = −1,667
(B = 6,667, então f(t) = −1,667·e−3t + 6,667·e−6t)
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.1) = −2,139

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 − (−3)s − 10 + 9(sY − (−3)) + 20Y = 0
Y(s) = (−3s − 17)/((s + 4)(s + 5))

Frações parciais

A = −5/1 = −5
B = −2/(−1) = 2

Resultado

y(t) = −5·e−4t + 2·e−5t
y(0,1) = −2,139

Resposta

y(0,1) = −2,139

Verificação: y(0) = A + B = −3.

5.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,75

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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75

Resultado

ζ = 0,75

Resposta

ζ = 0,75
6.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,3004

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) = √(400/2,5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 19/(2·√(400·2,5)) = 0,3004

Resultado

ζ = 0,3004

Resposta

ζ = 0,3004
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −84,31 °

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/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 340/33,86 = 10,04

Fase

φ = − atan(10,04) = −84,31°

Resposta

φ = −84,31°
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 24,2 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 + 400ω² − 577600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·577600))/2 = 585,9
ωc = 24,2 rad/s

Resposta

ωc = 24,2 rad/s

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