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)t21

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−0,5tu(t)’dir. Giriş x(t) = 1·u(t) basamağıdır. t = 8 s anında çıkışı (y(8)) bulun.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 8 s
y(8) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
x(t)t (ms)520405

Bir darbe katarının yüksekliği 5, darbe genişliği 5 ms ve periyodu 20 ms’dir. 150 Hz’deki 3. harmoniğin genliğini (c3) bulun.

A = 5τ = 5 msT = 20 ms
c3 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−2−424

F(s) = 17/(s² + 8s + 32) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = 17/(s² + 8s + 32)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Bir sistem y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t) denklemine uyuyor. Dinlenme durumunda başlar (y(0) = 0, y′(0) = 0) ve giriş, t ≥ 0 için u(t) = 10 basamağıdır. Çıkış y(0,1) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 79/(s² + 9s + 79)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 79/(s² + 9s + 79)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+100s(s + 10)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 100/(s(s + 10)). ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak kapalı çevrim basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 100/(s(s + 10))
ts = s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 100 mHR = 47 Ωvout​

Gösterilen RL alçak geçiren filtre için R = 47 Ω, L = 100 mH geçerlidir. 300 Hz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 47 ΩL = 100 mHf = 300 Hz
|H| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 29,6/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 29,6/(s(s + 8))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(8) = 1,963

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−0,5τ dτ = (1/0,5)·(1 − e−0,5t)

Hesaplayın

y(8) = 2·(1 − e−4) = 1,963

Cevap

y(8) = 1,963
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: c3 = 0,7503

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 = 5/20 = 0,25

Harmonik genliği

c3 = (2·5/(3π))·|sin(3π·0,25)| = 0,7503

Cevap

c3 = 0,7503
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 1,316

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 + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Payı eşleştirin

F(s) = (17/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−4t·(4,25·sin 4t)
f(0,25) = e−4·0,25·(4,25·sin(4·0,25)) = 1,316

Cevap

f(0,25) = 1,316
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 0,5775

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) = 150/(s(s + 3)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 150/(3·5) = 10
B = 150/((−3)·2) = −25
C = 150/((−5)·(−2)) = 15

Çıkarılan

y(t) = 10 − 25·e−3t + 15·e−5t
y(0,1) = 0,5775

Cevap

y(0,1) = 0,5775
5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,4099 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 = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,888) = 0,5063

Sonuç

ωd = 8,888·√(1 − 0,5063²) = 7,665 rad/s → tp = π/ωd = 0,4099 s

Cevap

tp = 0,4099 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,8 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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = 100/(s² + 10s + 100): ωₙ = 10 rad/s, ζ = 0,5

Yerleşme süresi

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,8 s

Cevap

ts = 0,8 s

Bu çevrimde K ne olursa olsun ζωₙ = a/2’dir: K’yı artırmak aşımı artırır ama yerleşme süresini kısaltmaz.

7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −12,33 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 = R/L = 47/0,1 = 470 rad/s
fc = 74,8 Hz → f/fc = 300/74,8 = 4,011

Kazanç

|H| = 1/√(1 + 4,011²) = 0,2419
20·log₁₀(0,2419) = −12,33 dB

Cevap

|H| = −12,33 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 66,95 °

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 + 64ω² − 876,2 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·876,2))/2 = 11,59
ωc = 3,405 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(3,405/8) = −113,1°
PM = 180° + ∠L = 66,95°

Cevap

PM = 66,95°

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