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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
Esboce os dois sinais e marque onde cada um é não nulo.
Inverta h e deslize-a: para cada instante de saída, encontre a faixa em que os dois sinais se sobrepõem.
Multiplique e some (discreto) ou multiplique e integre (contínuo) somente sobre essa sobreposição.
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
O pulso x(t) = 10 para 0 ≤ t < 3 s é convoluído com o pulso h(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 s
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
Um trem de pulsos tem altura 10, largura de pulso 0,3 ms e período 1 ms. Encontre a amplitude c2 do harmônico de número 2, em 2000 Hz.
A = 10τ = 0,3 msT = 1 ms
c2 =
3.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (2s + 30)/(s² + 2s + 1) e calcule f(1,2).
F(s) = (2s + 30)/(s² + 2s + 1)t = 1,2 s
f(1.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t), com y(0) = 4 e y′(0) = 0. Em t = 0 é aplicada uma entrada em degrau u(t) = 5. Use a transformada de Laplace para encontrar y(0,1).
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 5/(s² + 3s + 5) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.
G(s) = 5/(s² + 3s + 5)
tp = s
6.Resposta ao degrauDifícil
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 20)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 10 % de sobressinal.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 10 %
K =
7.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 4,7 kΩ, C = 22 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 6,2 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.
R = 4,7 kΩC = 22 nFf = 6,2 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 2 dB.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))GM = 2 dB
K =
3Soluções
1.Convolução e sistemas LIT
Resposta: Ay = 120
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 = 10·3 = 30
∫h dt = 2·2 = 4
Área da saída
Ay = 30·4 = 120
Resposta
Ay = 120
2.Convolução e sistemas LIT
Resposta: c2 = 3,027
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)|.
Ciclo de trabalho
D = 0,3/1 = 0,3
Amplitude do harmônico
c2 = (2·10/(2π))·|sin(2π·0,3)| = 3,027
Resposta
c2 = 3,027
3.Transformadas de Laplace
Resposta: f(1.2) = 10,72
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Frações parciais
2s + 30 = 2(s + 1) + 28
F(s) = 2/(s + 1) + 28/(s + 1)²
Transformada inversa
f(t) = 2·e−t + 28·t·e−t
f(1,2) = (2 + 28·1,2)·e−1,2 = 10,72
Resposta
f(1,2) = 10,72
4.Transformadas de Laplace
Resposta: y(0.1) = 4,629
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 + 11s + 30)·Y(s) = 4s + 44 + 300/s
Y(s) = (4s² + 44s + 300)/(s(s + 5)(s + 6))
Frações parciais
A = 300/(5·6) = 10
B = 180/((−5)·1) = −36
C = 180/((−6)·(−1)) = 30
Resultado
y(t) = 10 − 36·e−5t + 30·e−6t
y(0,1) = 4,629
Resposta
y(0,1) = 4,629
Verificação: y(0) = A + B + C = 4.
5.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 1,894 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.
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).
Função de transferência de malha fechada
T(s) = K/(s² + 20s + K)
Razão de amortecimento a partir do sobressinal
ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912
Ganho
ωₙ = 20/(2ζ) = 16,92 rad/s
K = ωₙ² = 286,2
Resposta
K = 286,2
7.Diagramas de Bode e margens
Resposta: |H| = −12,36 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/(4700·2,2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 6200/1539 = 4,028
Ganho
|H| = 1/√(1 + 4,028²) = 0,2409
20·log₁₀(0,2409) = −12,36 dB
Resposta
|H| = −12,36 dB
8.Diagramas de Bode e margens
Resposta: K = 305
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.