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)t15h(t)t42

x(t) = 5 (0 ≤ t < 1 s için) darbesi, t = 0’da 2’den t = 4 s’de 0’a doğrusal olarak düşen üçgen biçimli h(t) ile evrişiliyor. y(t) = x(t) ∗ h(t) eğrisinin altındaki alanı (Ay) bulun.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 2, h(4) = 0
Ay =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
5cos(20t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

x(t) = 5·cos(20t) girişi, h(t) = 10·e−20tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının genliğini (Ym) bulun.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
Ym =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−2−4−62

F(s) = (4s + 27)/(s² + 6s + 18) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = (4s + 27)/(s² + 6s + 18)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Bir sistem y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 3 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 2 basamak girişi uygulanır. y(0,25) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 222/(s² + 5s + 74)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 222/(s² + 5s + 74)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
+−24 VR = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

R = 46 Ω, L = 100 mH ve C = 47 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 24 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatör geriliminin yüzde aşımını %OS bulun.

R = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 24 V
%OS = %
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 20

G(s) = 44(s + 14)/(s(s + 1)) fonksiyonunun ω = 20 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 44(s + 14)/(s(s + 1))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 34/(s(s + 5)(s + 6))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 34/(s(s + 5)(s + 6))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ay = 20

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).

Girişlerin alanları

∫x dt = 5·1 = 5
∫h dt = ½·4·2 = 4

Çıkışın alanı

Ay = 5·4 = 20

Cevap

Ay = 20
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ym = 1,768

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) = 10/(20 + jω)

Giriş frekansındaki kazanç

|H(j20)| = 10/√(20² + 20²) = 0,3536
Ym = 5·0,3536 = 1,768

Cevap

Ym = 1,768
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 2,603

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).

Tam kareye tamamlayın

s² + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Payı eşleştirin

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (15/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−3t·(4·cos 3t + 5·sin 3t)
f(0,3) = e−3·0,3·(4·cos(3·0,3) + 5·sin(3·0,3)) = 2,603

Cevap

f(0,3) = 2,603
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 4,533

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

(s² + 9s + 20)·Y(s) = 3s + 27 + 160/s
Y(s) = (3s² + 27s + 160)/(s(s + 4)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 160/(4·5) = 8
B = 100/((−4)·1) = −25
C = 100/((−5)·(−1)) = 20

Sonuç

y(t) = 8 − 25·e−4t + 20·e−5t
y(0,25) = 4,533

Cevap

y(0,25) = 4,533

Kontrol: y(0) = A + B + C = 3.

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 38,51 %

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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,602) = 0,2906

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,9542 = 38,51 %

Cevap

%OS = 38,51 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 16,41 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (46/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,4986

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,41 %

Cevap

%OS = 16,41 %
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −122,1 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(20/14) − 90° − atan(20/1) = 55,01° − 90° − 87,14°

Sonuç

∠G(j20) = −122,1°

Cevap

∠G(jω) = −122,1°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 19,74 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 36)) = K/(5·6·(5 + 6)) = K/330

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(330/34) = 19,74 dB

Cevap

GM = 19,74 dB

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