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)t11h(t)t22

x(t) = 1 (0 ≤ t < 1 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = 2 (0 ≤ t < 2 s için, başka yerde sıfır) darbe yanıtına sahip bir sisteme uygulanıyor. t = 2.5 s anında çıkışı (y(2,5)) bulun.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 2,5 s
y(2.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ[n]0,5+h[n]−0,8·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = −0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Darbe yanıtı örneğini (h[4]) bulun.

y[n] = −0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 5)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,2) değerini hesaplayın.

F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

y″ + 5y′ + 6y = 0 denklemini y(0) = 4 ve y′(0) = 13 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,4) değerini bulun.

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 13t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 67/(s² + 10s + 67)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 67/(s² + 10s + 67)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 8)). %5 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 5 %
K =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

G(s) = 2640/((s + 11)(s + 15)) fonksiyonunun ω = 5 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 2640/((s + 11)(s + 15))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 3)(s + 8))’dır. 8 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))GM = 8 dB
K =

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(2.5) = 1

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).

Çevrilmiş darbenin çakışması

h(t − τ), h darbesinin çevrilip τ = t’de bitecek şekilde kaydırılmış hâlidir.

τ ∈ [0,5, 1] → uzunluk 0,5 s

İntegral

y(2,5) = 1·2·0,5 = 1

Cevap

y(2,5) = 1

y(t) bir yamuktur: 0’dan yükselir, 2’da kalır ve t = 3 s anında 0’a geri iner.

2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h[4] = 0,2048

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.

Yineleyin

h[0] = 0,5
h[1] = −0,4
h[2] = 0,32
h[3] = −0,256
h[4] = 0,2048

Sonuç

h[4] = 0,5·(−0,8)4 = 0,2048

Cevap

h[4] = 0,2048
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.2) = 0,6592

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 + 3) + C/(s + 5)
A = 55/(3·5) = 3,667
B = 55/((−3)·2) = −9,167
C = 55/((−5)·(−2)) = 5,5

Ters dönüşüm

f(t) = 3,667 − 9,167·e−3t + 5,5·e−5t

Hesaplayın

f(0,2) = 3,667 − 9,167·e−3·0,2 + 5,5·e−5·0,2 = 0,6592

Cevap

f(0,2) = 0,6592
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.4) = 4,908

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

s²Y − 4s − 13 + 5(sY − 4) + 6Y = 0
Y(s) = (4s + 33)/((s + 2)(s + 3))

Kısmi kesirler

A = 25/1 = 25
B = 21/(−1) = −21

Sonuç

y(t) = 25·e−2t − 21·e−3t
y(0,4) = 4,908

Cevap

y(0,4) = 4,908

Kontrol: y(0) = A + B = 4.

5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,4848 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 = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8,185) = 0,6108

Sonuç

ωd = 8,185·√(1 − 0,6108²) = 6,481 rad/s → tp = π/ωd = 0,4848 s

Cevap

tp = 0,4848 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: K = 33,6

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 + 8s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Kazanç

ωₙ = 8/(2ζ) = 5,796 rad/s
K = ωₙ² = 33,6

Cevap

K = 33,6
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 22,81 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)| = 2640/(√(5² + 11²)·√(5² + 15²)) = 2640/(12,08·15,81) = 13,82

Sonuç

20·log₁₀(13,82) = 22,81 dB

Cevap

|G(jω)| = 22,81 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 105,1

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/3)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(3·8) = 4,899 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 64)) = K/(3·8·(3 + 8)) = K/264

Gerekli kazanç

264/K = 108/20 = 2,512
K = 264/2,512 = 105,1

Cevap

K = 105,1

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