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)t14h(t)t−13

x(t) işareti yalnızca t = 1 s ile t = 4 s arasında, h(t) ise yalnızca t = −1 s ile t = 3 s arasında sıfırdan farklıdır. y(t) = x(t) ∗ h(t) işaretinin süresini (D) bulun.

x: 1 … 4 sh: −1 … 3 s
D = s
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)0,25123

Bir darbe katarının yüksekliği 3, darbe genişliği 0,25 ms ve periyodu 1 ms’dir. 2000 Hz’deki 2. harmoniğin genliğini (c2) bulun.

A = 3τ = 0,25 msT = 1 ms
c2 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 5)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,1) değerini hesaplayın.

F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Bir sistem y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 2 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 10 basamak girişi uygulanır. y(0,25) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 100/(s² + 10s + 100)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 100/(s² + 10s + 100)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 10)). %30 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 5

G(s) = 700/((s + 10)(s + 14)) fonksiyonunun ω = 5 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 700/((s + 10)(s + 14))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3600/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 3600/(s(s + 20))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: D = 7 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 = 1 + (−1) = 0 s
tend = 4 + 3 = 7 s

Cevap

D = 7 s

Cevap

D = 7 s
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c2 = 0,9549

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 = 0,25/1 = 0,25

Harmonik genliği

c2 = (2·3/(2π))·|sin(2π·0,25)| = 0,9549

Cevap

c2 = 0,9549
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.1) = 0,09315

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).

Kısmi kesirler

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 5)
A = 25/(4·5) = 1,25
B = 25/((−4)·1) = −6,25
C = 25/((−5)·(−1)) = 5

Ters dönüşüm

f(t) = 1,25 − 6,25·e−4t + 5·e−5t

Hesaplayın

f(0,1) = 1,25 − 6,25·e−4·0,1 + 5·e−5·0,1 = 0,09315

Cevap

f(0,1) = 0,09315
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 2,674

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).

Denklemi dönüştürün

(s² + 5s + 4)·Y(s) = 2s + 10 + 40/s
Y(s) = (2s² + 10s + 40)/(s(s + 1)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 40/(1·4) = 10
B = 32/((−1)·3) = −10,67
C = 32/((−4)·(−3)) = 2,667

Sonuç

y(t) = 10 − 10,67·e−t + 2,667·e−4t
y(0,25) = 2,674

Cevap

y(0,25) = 2,674

Kontrol: y(0) = A + B + C = 2.

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 16,3 %

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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·10) = 0,5

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,814 = 16,3 %

Cevap

%OS = 16,3 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: K = 195,2

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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = K/(s² + 10s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Kazanç

ωₙ = 10/(2ζ) = 13,97 rad/s
K = ωₙ² = 195,2

Cevap

K = 195,2
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 12,49 dB

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.

Büyüklükleri çarpın

|G(j5)| = 700/(√(5² + 10²)·√(5² + 14²)) = 700/(11,18·14,87) = 4,212

Sonuç

20·log₁₀(4,212) = 12,49 dB

Cevap

|G(jω)| = 12,49 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 18,92 °

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.

Kazanç kesişimi

ω⁴ + 400ω² − 1,296 × 10⁷ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,296 × 10⁷))/2 = 3406
ωc = 58,36 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(58,36/20) = −161,1°
PM = 180° + ∠L = 18,92°

Cevap

PM = 18,92°

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