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)t25h(t)t1

x(t) = 5 (0 ≤ t < 2 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−1tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 2,5 s anında çıkışı (y(2,5)) bulun.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)0,6245

Bir darbe katarının yüksekliği 5, darbe genişliği 0,6 ms ve periyodu 2 ms’dir. DC bileşenini (ortalama değerini) (c0) bulun.

A = 5τ = 0,6 msT = 2 ms
c0 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 3)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace dönüşümleriZor
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Bir sistem y″ + 7y′ + 12y = 8u diferansiyel denklemiyle tanımlanıyor; girişi u(t), çıkışı y(t). Transfer fonksiyonunu G(s) = Y(s)/U(s) (sıfır başlangıç koşulları) bulun ve darbe yanıtı g(t)’yi t = 0,1 s anında hesaplayın. g(0,1) değerini bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 8ut = 0,1 s
g(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 3,5/(s² + 2s + 7)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 3,5/(s² + 2s + 7)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)125 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %25 aşım yapmalıdır. Sönüm oranını ζ bulun.

%OS = 25 %
ζ =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

G(s) = 1020/((s + 3)(s + 17)) fonksiyonunun ω = 10 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1020/((s + 3)(s + 17))ω = 10 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)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3,7/(s(s + 1))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 3,7/(s(s + 1))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(2.5) = 2,622

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(2) = (5/1)(1 − e−2) = 4,323

Darbeden sonraki sönümlenme

y(2,5) = 4,323·e−1·0,5 = 2,622

Cevap

y(2,5) = 2,622
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c0 = 1,5

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.

Görev oranı

D = 0,6/2 = 0,3

Ortalama değer

c₀ = 5·0,3 = 1,5

Cevap

c0 = 1,5
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 0,8343

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 + 3)
A = 40/(2·3) = 6,667
B = 40/((−2)·1) = −20
C = 40/((−3)·(−1)) = 13,33

Ters dönüşüm

f(t) = 6,667 − 20·e−2t + 13,33·e−3t

Hesaplayın

f(0,25) = 6,667 − 20·e−2·0,25 + 13,33·e−3·0,25 = 0,8343

Cevap

f(0,25) = 0,8343
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: g(0.1) = 0,564

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).

Transfer fonksiyonu

G(s) = Y(s)/U(s) = 8/(s² + 7s + 12)

Kısmi kesirler

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 8, B = −8

Darbe yanıtı

g(t) = 8·e−3t − 8·e−4t
g(0,1) = 0,564

Cevap

g(0,1) = 0,564
5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 27,73 %

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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2,646) = 0,378

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,283 = 27,73 %

Cevap

%OS = 27,73 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,4037

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).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 1,386/√(9,87 + 1,922) = 0,4037

Cevap

ζ = 0,4037
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 13,9 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(j10)| = 1020/(√(10² + 3²)·√(10² + 17²)) = 1020/(10,44·19,72) = 4,953

Sonuç

20·log₁₀(4,953) = 13,9 dB

Cevap

|G(jω)| = 13,9 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 29,08 °

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 − 13,69 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·13,69))/2 = 3,234
ωc = 1,798 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(1,798/1) = −150,9°
PM = 180° + ∠L = 29,08°

Cevap

PM = 29,08°

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