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)t2h(t)t0,21

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−5tu(t)’dir. Giriş x(t) = 2·u(t) basamağıdır. t = 0,2 s anında çıkışı (y(0,2)) bulun.

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)24810

Bir kare dalga, T = 4 ms periyotla 10 ile 0 arasında anahtarlanır (her seviyede yarım periyot). 1750 Hz’deki Fourier bileşeninin genliğini (c7) bulun.

0 … 10T = 4 msf = 1750 Hz
c7 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 5)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,1) değerini hesaplayın.

F(s) = 45/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

y″ + 9y′ + 18y = 0 denklemini y(0) = −1 ve y′(0) = 11 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,2) değerini bulun.

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −1y′(0) = 11t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 97/(s² + 4s + 97)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 97/(s² + 4s + 97)
σ =
6.Basamak yanıtıZor
k = 800 N/mc = 17 N·s/mm = 4 kgF = 100 Nx(t)

m = 4 kg kütle, k = 800 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 = 100 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin yüzde aşımını %OS bulun.

m = 4 kgk = 800 N/mc = 17 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

G(s) = 1020/((s + 5)(s + 12)) fonksiyonunun ω = 2 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1020/((s + 5)(s + 12))ω = 2 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) = 4/(s(s + 1)(s + 2))’dır. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 2))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.2) = 0,2528

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).

Basamakla evrişim

y(t) = 2·∫₀ᵗ e−5τ dτ = (2/5)·(1 − e−5t)

Hesaplayın

y(0,2) = 0,4·(1 − e−1) = 0,2528

Cevap

y(0,2) = 0,2528
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c7 = 0,9095

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 = 1750/250 = 7

Genlik

c7 = 4·5/(7π) = 0,9095

Cevap

c7 = 0,9095
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.1) = 0,1677

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 = 45/(4·5) = 2,25
B = 45/((−4)·1) = −11,25
C = 45/((−5)·(−1)) = 9

Ters dönüşüm

f(t) = 2,25 − 11,25·e−4t + 9·e−5t

Hesaplayın

f(0,1) = 2,25 − 11,25·e−4·0,1 + 9·e−5·0,1 = 0,1677

Cevap

f(0,1) = 0,1677
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.2) = 0,1115

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 − (−1)s − 11 + 9(sY − (−1)) + 18Y = 0
Y(s) = (−s + 2)/((s + 3)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 5/3 = 1,667
B = 8/(−3) = −2,667

Sonuç

y(t) = 1,667·e−3t − 2,667·e−6t
y(0,2) = 0,1115

Cevap

y(0,2) = 0,1115

Kontrol: y(0) = A + B = −1.

5.Basamak yanıtı

Cevap: σ = −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).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,849) = 0,2031

Sonuç

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Cevap

σ = −2
6.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 62,03 %

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) = √(800/4) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(800·4)) = 0,1503

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 62,03 %

Cevap

%OS = 62,03 %
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 23,85 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(j2)| = 1020/(√(2² + 5²)·√(2² + 12²)) = 1020/(5,385·12,17) = 15,57

Sonuç

20·log₁₀(15,57) = 23,85 dB

Cevap

|G(jω)| = 23,85 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 1,414 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/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Cevap

ω180 = 1,414 rad/s

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