İşaretler ve Sistemler: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Evrişim ve LTI sistemler

Ayrık evrişim
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Sürekli evrişim
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Uzunluk ve toplam
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Başlangıç, bitiş ve alan
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t)’ye basamak girişi
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Birinci dereceden sistem
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Birinci dereceden özyineleme
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t)’den geçen sinüs
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Fourier serisi genlikleri
kare ±A: 4A/(kπ), k tek; üçgen ±A: 8A/(π²k²), k tek; darbe katarı: A·D ve (2A/(kπ))|sin kπD|

Yöntem

  1. İki işareti de çizin ve her birinin sıfırdan farklı olduğu yeri not edin.
  2. h’yi çevirip kaydırın: her çıkış zamanı için iki işaretin çakıştığı aralığı bulun.
  3. Yalnızca o çakışma üzerinde çarpıp toplayın (ayrık) veya çarpıp integre edin (sürekli).
  4. Sonucu kontrol edin: çıkış, başlangıç zamanlarının toplamında başlar, bitiş zamanlarının toplamında biter; alanı veya toplamı da girişlerin alanlarının veya toplamlarının çarpımıdır.

2Alıştırma soruları

1.Evrişim ve LTI sistemlerOrta
x(t)t−20h(t)t−13

x(t) işareti yalnızca t = −2 s ile t = 0 s arasında, h(t) ise yalnızca t = −1 s ile t = 3 s arasında sıfırdan farklıdır. y(t) = x(t) ∗ h(t) işaretinin bittiği zamanı (tend) bulun.

x: −2 … 0 sh: −1 … 3 s
tend = s
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)820401

Bir darbe katarının yüksekliği 1, darbe genişliği 8 ms ve periyodu 20 ms’dir. 100 Hz’deki 2. harmoniğin genliğini (c2) bulun.

A = 1τ = 8 msT = 20 ms
c2 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (s + 2)/(s² + 7s + 12). Ters dönüşümü f(t) = A·e−3t + B·e−4t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.

F(s) = (s + 2)/(s² + 7s + 12)
A =
4.Laplace dönüşümleriZor
ReIm−0,5−1−1,5−20,51

Bir sistem y″ + 4y′ + 5y = 10u diferansiyel denklemiyle tanımlanıyor; girişi u(t), çıkışı y(t). Transfer fonksiyonunu G(s) = Y(s)/U(s) (sıfır başlangıç koşulları) bulun ve darbe yanıtı g(t)’yi t = 0,2 s anında hesaplayın. g(0,2) değerini bulun.

y″ + 4y′ + 5y = 10ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 37,5/(s² + 14s + 75)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 37,5/(s² + 14s + 75)
ts = s
6.Basamak yanıtıZor
k = 400 N/mc = 17 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

m = 2 kg kütle, k = 400 N/m yay ve c = 17 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 25 N kuvvet uygulanıyor. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.

m = 2 kgk = 400 N/mc = 17 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

G(s) = 8(s + 20)/(s(s + 15)) fonksiyonunun ω = 20 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 8(s + 20)/(s(s + 15))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 456/(s(s + 8)(s + 10))’dır. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 456/(s(s + 8)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: tend = 3 s

Sürekli evrişim: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. h’yi çevirin, t konumuna kaydırın ve çakışan kısımların çarpımını integre edin. Nedensel işaretler için integral 0’dan t’ye kadar alınır. Yararlı sonuçlar: y’nin alanı, x’in alanı çarpı h’nin alanıdır; x, t₁’den t₂’ye ve h, t₃’ten t₄’e kadar sürüyorsa y, t₁ + t₃’ten t₂ + t₄’e kadar sürer. h(t) = e−atu(t) ve A yüksekliğinde bir basamak için y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Başlangıç ve bitiş

tstart = −2 + (−1) = −3 s
tend = 0 + 3 = 3 s

Cevap

tend = 3 s

Cevap

tend = 3 s
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c2 = 0,1871

Darbe yanıtı ve Fourier serisi: h(t) darbe yanıtı bir LTI sistemi tamamen tanımlar: y′ + a·y = b·x için h(t) = b·e−atu(t), y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] için ise h[n] = b·aⁿu[n]’dir. cos ωt sinüsü, |H(jω)| kazancı ve ∠H(jω) fazıyla geçer; burada H, h’nin Fourier dönüşümüdür. Periyodik bir işaret, k/T’deki harmoniklerin toplamıdır: ±A’lık bir kare dalgada yalnızca tek harmonikler vardır ve genlikleri 4A/(kπ)’dir; tepe değeri A olan bir üçgen dalgada 8A/(π²k²), A yüksekliğinde ve D görev oranında bir darbe katarında ise ortalama A·D ve harmonikler (2A/(kπ))·|sin(kπD)|’dir.

Görev oranı

D = 8/20 = 0,4

Harmonik genliği

c2 = (2·1/(2π))·|sin(2π·0,4)| = 0,1871

Cevap

c2 = 0,1871
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: A = −1

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Paydayı çarpanlarına ayırın

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Kapatma kuralı

(s + 3) ile çarpın ve s = −3 koyun: B terimi yok olur.

A = (s + 2)/(s + 4) |s = −3 = −1/1 = −1

Cevap

A = −1
(B = 2, dolayısıyla f(t) = −e−3t + 2·e−4t)
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: g(0.2) = 1,332

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transfer fonksiyonu

G(s) = Y(s)/U(s) = 10/(s² + 4s + 5)

Kısmi kesirler

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1²
G(s) = (10/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Darbe yanıtı

g(t) = e−2t·(10·sin 1t)
g(0,2) = 1,332

Cevap

g(0,2) = 1,332
5.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,5714 s

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 75 → ωₙ = 8,66 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·8,66) = 0,8083

Sonuç

ζωₙ = 7 → ts ≈ 4/7 = 0,5714 s

Cevap

ts = 0,5714 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: xmax = 85,73 mm

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Doğal frekans ve sönüm oranı

ωₙ = √(k/m) = √(400/2) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(400·2)) = 0,3005

Sonuç

xst = F/k = 25/400 m = 62,5 mm
%OS = 37,16 %
xmax = 62,5·(1 + 0,3716) = 85,73 mm

Cevap

xmax = 85,73 mm
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −98,13 °

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Açıları toplayın

∠G = atan(20/20) − 90° − atan(20/15) = 45° − 90° − 53,13°

Sonuç

∠G(j20) = −98,13°

Cevap

∠G(jω) = −98,13°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 8,944 rad/s

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Faz kesişimi

(ω/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8,944 rad/s

Cevap

ω180 = 8,944 rad/s

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