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)t0,52h(t)t1

x(t) = 2 (0 ≤ t < 0.5 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−1tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 1 s anında çıkışı (y(1)) bulun.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ[n]0,5+h[n]0,5·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = 0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Darbe yanıtı örneğini (h[4]) bulun.

y[n] = 0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

F(s) = (2s + 2)/(s² + 4s + 4) için f(t)’yi bulun ve f(0,75) değerini hesaplayın.

F(s) = (2s + 2)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Bir sistem y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 5 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 1 basamak girişi uygulanır. y(0,5) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 6y′ + 8y = 24·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 27/(s² + 11s + 54)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 27/(s² + 11s + 54)
σ =
6.Basamak yanıtıZor
k = 2000 N/mc = 18 N·s/mm = 4 kgF = 100 Nx(t)

m = 4 kg kütle, k = 2000 N/m yay ve c = 18 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. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.

m = 4 kgk = 2000 N/mc = 18 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​C = 1 nFR = 2,2 kΩvout​

Gösterilen RC yüksek geçiren filtre için R = 2,2 kΩ, C = 1 nF geçerlidir. 220 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 2,2 kΩC = 1 nFf = 220 kHz
|H| = 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) = 40/(s(s + 3)(s + 10))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 40/(s(s + 3)(s + 10))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(1) = 0,4773

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(0,5) = (2/1)(1 − e−0,5) = 0,7869

Darbeden sonraki sönümlenme

y(1) = 0,7869·e−1·0,5 = 0,4773

Cevap

y(1) = 0,4773
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h[4] = 0,03125

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.

Yineleyin

h[0] = 0,5
h[1] = 0,25
h[2] = 0,125
h[3] = 0,0625
h[4] = 0,03125

Sonuç

h[4] = 0,5·(0,5)4 = 0,03125

Cevap

h[4] = 0,03125
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.75) = 0,1116

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

2s + 2 = 2(s + 2) + −2
F(s) = 2/(s + 2) − 2/(s + 2)²

Ters dönüşüm

f(t) = 2·e−2t − 2·t·e−2t
f(0,75) = (2 − 2·0,75)·e−2·0,75 = 0,1116

Cevap

f(0,75) = 0,1116
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.5) = 4,201

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 + 6s + 8)·Y(s) = 5s + 30 + 24/s
Y(s) = (5s² + 30s + 24)/(s(s + 2)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 24/(2·4) = 3
B = −16/((−2)·2) = 4
C = −16/((−4)·(−2)) = −2

Sonuç

y(t) = 3 + 4·e−2t − 2·e−4t
y(0,5) = 4,201

Cevap

y(0,5) = 4,201

Kontrol: y(0) = A + B + C = 5.

5.Basamak yanıtı

Cevap: σ = −5,5

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 = 54 → ωₙ = 7,348 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,348) = 0,7485

Sonuç

σ = −ζωₙ = −11/2 = −5,5

Cevap

σ = −5,5
6.Basamak yanıtı

Cevap: xmax = 86,39 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) = √(2000/4) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(2000·4)) = 0,1006

Sonuç

xst = F/k = 100/2000 m = 50 mm
%OS = 72,78 %
xmax = 50·(1 + 0,7278) = 86,39 mm

Cevap

xmax = 86,39 mm
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −0,4459 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.

Köşe frekansı

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·1 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 220000/72343 = 3,041

Kazanç

|H| = 3,041/√(1 + 3,041²) = 0,95
20·log₁₀(0,95) = −0,4459 dB

Cevap

|H| = −0,4459 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 19,78 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/3)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(3·10) = 5,477 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 100)) = K/(3·10·(3 + 10)) = K/390

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(390/40) = 19,78 dB

Cevap

GM = 19,78 dB

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