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)t1h(t)t0,251

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−4tu(t)’dir. Giriş x(t) = 1·u(t) basamağıdır. t = 0,25 s anında çıkışı (y(0,25)) bulun.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Bir sistem y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t) denklemine uyar. t = 1 s anında darbe yanıtını (h(1)) bulun.

y′ + 4y = 3xt = 1 s
h(1) =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

F(s) = (3s + 35)/(s² + 4s + 4) için f(t)’yi bulun ve f(1) değerini hesaplayın.

F(s) = (3s + 35)/(s² + 4s + 4)t = 1 s
f(1) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Bir sistem y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t) denklemine uyuyor. Dinlenme durumunda başlar (y(0) = 0, y′(0) = 0) ve giriş, t ≥ 0 için u(t) = 1 basamağıdır. Çıkış y(0,4) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 3y′ + 2y = 1·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 5,5/(s² + 4s + 11)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 5,5/(s² + 4s + 11)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
k = 5000 N/mc = 34 N·s/mm = 2,5 kgF = 50 Nx(t)

m = 2,5 kg kütle, k = 5000 N/m yay ve c = 34 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 50 N kuvvet uygulanıyor. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.

m = 2,5 kgk = 5000 N/mc = 34 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

G(s) = 23(s + 8)/(s(s + 4)) fonksiyonunun ω = 4 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 23(s + 8)/(s(s + 4))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3,5/(s(s + 1))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 3,5/(s(s + 1))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(0.25) = 0,158

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) = 1·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (1/4)·(1 − e−4t)

Hesaplayın

y(0,25) = 0,25·(1 − e−1) = 0,158

Cevap

y(0,25) = 0,158
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h(1) = 0,05495

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.

Transfer fonksiyonu

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 4)

Darbe yanıtı

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(1) = 3·e−4 = 0,05495

Cevap

h(1) = 0,05495
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(1) = 4,331

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).

Paydayı çarpanlarına ayırın

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Kısmi kesirler

3s + 35 = 3(s + 2) + 29
F(s) = 3/(s + 2) + 29/(s + 2)²

Ters dönüşüm

f(t) = 3·e−2t + 29·t·e−2t
f(1) = (3 + 29·1)·e−2·1 = 4,331

Cevap

f(1) = 4,331
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.4) = 0,05434

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

Y(s) = 1/(s(s + 1)(s + 2))

Kısmi kesirler

A = 1/(1·2) = 0,5
B = 1/((−1)·1) = −1
C = 1/((−2)·(−1)) = 0,5

Çıkarılan

y(t) = 0,5 − e−t + 0,5·e−2t
y(0,4) = 0,05434

Cevap

y(0,4) = 0,05434
5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 1,187 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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,317) = 0,603

Sonuç

ωd = 3,317·√(1 − 0,603²) = 2,646 rad/s → tp = π/ωd = 1,187 s

Cevap

tp = 1,187 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: xmax = 16,17 mm

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) = √(5000/2,5) = 44,72 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 34/(2·√(5000·2,5)) = 0,1521

Sonuç

xst = F/k = 50/5000 m = 10 mm
%OS = 61,67 %
xmax = 10·(1 + 0,6167) = 16,17 mm

Cevap

xmax = 16,17 mm
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −108,4 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(4/8) − 90° − atan(4/4) = 26,57° − 90° − 45°

Sonuç

∠G(j4) = −108,4°

Cevap

∠G(jω) = −108,4°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 29,85 °

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 + 1ω² − 12,25 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·12,25))/2 = 3,036
ωc = 1,742 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(1,742/1) = −150,1°
PM = 180° + ∠L = 29,85°

Cevap

PM = 29,85°

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