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)t0,54h(t)t1

x(t) = 4 (0 ≤ t < 0.5 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−1tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 1 s anında çıkışı (y(1)) bulun.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)24810−10

Bir üçgen dalga, T = 4 ms periyotla −10 ile +10 arasında doğrusal olarak yükselir ve alçalır. 1250 Hz’deki Fourier bileşeninin genliğini (c5) bulun.

±10T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

y″ + 6y′ + 5y = 0 denklemini y(0) = 4 ve y′(0) = 11 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,8) değerini bulun.

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 4y′(0) = 11t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 88/(s² + 8s + 88)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 88/(s² + 8s + 88)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
k = 100 N/mc = 4 N·s/mm = 1 kgF = 100 Nx(t)

m = 1 kg kütle, k = 100 N/m yay ve c = 4 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 100 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin yüzde aşımını %OS bulun.

m = 1 kgk = 100 N/mc = 4 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 22 kΩC = 1 nFvout​

Gösterilen RC alçak geçiren filtre için R = 22 kΩ, C = 1 nF geçerlidir. 1,8 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 22 kΩC = 1 nFf = 1,8 kHz
φ = °
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 + 7))’dır. 5 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 7))GM = 5 dB
K =

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(1) = 0,9546

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).

Darbenin sonundaki çıkış

y(0,5) = (4/1)(1 − e−0,5) = 1,574

Darbeden sonraki sönümlenme

y(1) = 1,574·e−1·0,5 = 0,9546

Cevap

y(1) = 0,9546
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c5 = 0,3242

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.

Harmonik numarası

f₀ = 1/T = 250 Hz → k = 5

Genlik

c5 = 8·10/(π²·5²) = 0,3242

Cevap

c5 = 0,3242
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 0,4877

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 + 5) + C/(s + 6)
A = 30/(5·6) = 1
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5

Ters dönüşüm

f(t) = 1 − 6·e−5t + 5·e−6t

Hesaplayın

f(0,3) = 1 − 6·e−5·0,3 + 5·e−6·0,3 = 0,4877

Cevap

f(0,3) = 0,4877
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.8) = 3,414

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 − 11 + 6(sY − 4) + 5Y = 0
Y(s) = (4s + 35)/((s + 1)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 31/4 = 7,75
B = 15/(−4) = −3,75

Sonuç

y(t) = 7,75·e−t − 3,75·e−5t
y(0,8) = 3,414

Cevap

y(0,8) = 3,414

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

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 22,74 %

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 = 88 → ωₙ = 9,381 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,381) = 0,4264

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,481 = 22,74 %

Cevap

%OS = 22,74 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 52,66 %

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) = √(100/1) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(100·1)) = 0,2

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,66 %

Cevap

%OS = 52,66 %
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = −13,97 °

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.

Köşe frekansı

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 1800/7234 = 0,2488

Faz

φ = − atan(0,2488) = −13,97°

Cevap

φ = −13,97°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 118,1

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/7) = 1 → ω180 = √(3·7) = 4,583 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 49)) = K/(3·7·(3 + 7)) = K/210

Gerekli kazanç

210/K = 105/20 = 1,778
K = 210/1,778 = 118,1

Cevap

K = 118,1

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