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)t42h(t)t41

O pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 4 s é convoluído com h(t), um triângulo que cai linearmente de 1 em t = 0 até 0 em t = 4 s. Encontre a área Ay sob y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 1, h(4) = 0
Ay =
2.Convolução e sistemas LITDifícil
δ(t)y′ + 1y = 10xh(t)

Um sistema obedece a y′(t) + 1·y(t) = 10·x(t). Encontre sua resposta ao impulso em t = 4 s, h(4).

y′ + 1y = 10xt = 4 s
h(4) =
3.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−2−4−6−8−102

Encontre f(t) para F(s) = (3s + 28)/(s² + 8s + 25) completando o quadrado e calcule f(0,2).

F(s) = (3s + 28)/(s² + 8s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Resolva y″ + 5y′ + 4y = 0 com y(0) = 4 e y′(0) = −8 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,25).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = −8t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 6,5/(s² + 4s + 13) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 6,5/(s² + 4s + 13)
σ =
6.Resposta ao degrauDifícil
k = 100 N/mc = 45 N·s/mm = 20 kgF = 50 Nx(t)

Uma massa m = 20 kg está pendurada em uma mola k = 100 N/m com um amortecedor viscoso c = 45 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 50 N é aplicada de repente. Encontre o sobressinal percentual %OS do deslocamento.

m = 20 kgk = 100 N/mc = 45 N·s/mF = 50 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 470 ΩL = 1 mHvout​

O Filtro passa-altas RL mostrado tem R = 470 Ω, L = 1 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 15 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 470 ΩL = 1 mHf = 15 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 4/(s(s + 2)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 4/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Convolução e sistemas LIT

Resposta: Ay = 16

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 = 2·4 = 8
∫h dt = ½·4·1 = 2

Área da saída

Ay = 8·2 = 16

Resposta

Ay = 16
2.Convolução e sistemas LIT

Resposta: h(4) = 0,1832

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)|.

Função de transferência

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 1)

Resposta ao impulso

h(t) = 10·e−1tu(t)
h(4) = 10·e−4 = 0,1832

Resposta

h(4) = 0,1832
3.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.2) = 2,466

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).

Complete o quadrado

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Associe o numerador

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (16/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(3·cos 3t + 5,333·sin 3t)
f(0,2) = e−4·0,2·(3·cos(3·0,2) + 5,333·sin(3·0,2)) = 2,466

Resposta

f(0,2) = 2,466
4.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.25) = 2,567

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 − 4s − (−8) + 5(sY − 4) + 4Y = 0
Y(s) = (4s + 12)/((s + 1)(s + 4))

Frações parciais

A = 8/3 = 2,667
B = −4/(−3) = 1,333

Resultado

y(t) = 2,667·e−t + 1,333·e−4t
y(0,25) = 2,567

Resposta

y(0,25) = 2,567

Verificação: y(0) = A + B = 4.

5.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −2

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 = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,606) = 0,5547

Resultado

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Resposta

σ = −2
6.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 16,06 %

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) = √(100/20) = 2,236 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 45/(2·√(100·20)) = 0,5031

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,06 %

Resposta

%OS = 16,06 %
7.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −14,13 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 = R/L = 470/0,001 = 470000 rad/s
fc = 74803 Hz → f/fc = 15000/74803 = 0,2005

Ganho

|H| = 0,2005/√(1 + 0,2005²) = 0,1966
20·log₁₀(0,1966) = −14,13 dB

Resposta

|H| = −14,13 dB
8.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 1,572 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 + 4ω² − 16 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·16))/2 = 2,472
ωc = 1,572 rad/s

Resposta

ωc = 1,572 rad/s

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