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)t12h(t)t22

x(t) = 2 (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 = 0.5 s anında çıkışı (y(0,5)) bulun.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 0,5 s
y(0.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
5cos(30t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

x(t) = 5·cos(30t) girişi, h(t) = 2·e−10tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının girişe göre fazını (φ) derece cinsinden bulun.

h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 5cos(30t)
φ = °
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 5)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,6) değerini hesaplayın.

F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

y″ + 3y′ + 2y = 0 denklemini y(0) = 8 ve y′(0) = −6 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,2) değerini bulun.

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 8y′(0) = −6t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 25/(s² + 6s + 25)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 25/(s² + 6s + 25)
ωn = rad/s
6.Basamak yanıtıZor
k = 5000 N/mc = 60 N·s/mm = 2 kgF = 10 Nx(t)

m = 2 kg kütle, k = 5000 N/m yay ve c = 60 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 10 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin yüzde aşımını %OS bulun.

m = 2 kgk = 5000 N/mc = 60 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 10 mHC = 10 µFR = 10 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 10 Ω üzerinden alınır, L = 10 mH ve C = 10 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 10 µF
BW = Hz
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) = 10/(s(s + 1)(s + 5))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.5) = 2

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, 0,5] → uzunluk 0,5 s

İntegral

y(0,5) = 2·2·0,5 = 2

Cevap

y(0,5) = 2

y(t) bir yamuktur: 0’dan yükselir, 4’da kalır ve t = 3 s anında 0’a geri iner.

2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: φ = −71,57 °

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.

Frekans yanıtı

H(jω) = 2/(10 + jω)

Giriş frekansındaki faz

φ = −atan(30/10) = −71,57°

Cevap

φ = −71,57°
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.6) = 3,187

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 60/(2·5) = 6
B = 60/((−2)·3) = −10
C = 60/((−5)·(−3)) = 4

Ters dönüşüm

f(t) = 6 − 10·e−2t + 4·e−5t

Hesaplayın

f(0,6) = 6 − 10·e−2·0,6 + 4·e−5·0,6 = 3,187

Cevap

f(0,6) = 3,187
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.2) = 6,847

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 − 8s − (−6) + 3(sY − 8) + 2Y = 0
Y(s) = (8s + 18)/((s + 1)(s + 2))

Kısmi kesirler

A = 10/1 = 10
B = 2/(−1) = −2

Sonuç

y(t) = 10·e−t − 2·e−2t
y(0,2) = 6,847

Cevap

y(0,2) = 6,847

Kontrol: y(0) = A + B = 8.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 5 rad/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 = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5) = 0,6

Sonuç

ωₙ = 5 rad/s

Cevap

ωn = 5 rad/s
6.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 37,23 %

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) = √(5000/2) = 50 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 60/(2·√(5000·2)) = 0,3

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,23 %

Cevap

%OS = 37,23 %
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 159,2 Hz

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.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 10/0,01 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Cevap

BW = 159,2 Hz
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 9,542 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.

Faz kesişimi

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(30/10) = 9,542 dB

Cevap

GM = 9,542 dB

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