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
İki işareti de çizin ve her birinin sıfırdan farklı olduğu yeri not edin.
h’yi çevirip kaydırın: her çıkış zamanı için iki işaretin çakıştığı aralığı bulun.
Yalnızca o çakışma üzerinde çarpıp toplayın (ayrık) veya çarpıp integre edin (sürekli).
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) işareti yalnızca t = 0 s ile t = 3 s arasında, h(t) ise yalnızca t = 0 s ile t = 1 s arasında sıfırdan farklıdır. y(t) = x(t) ∗ h(t) işaretinin süresini (D) bulun.
x: 0 … 3 sh: 0 … 1 s
D = s
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
Bir kare dalga, T = 5 ms periyotla +1 ile −1 arasında anahtarlanır (her seviyede yarım periyot). 1000 Hz’deki Fourier bileşeninin genliğini (c5) bulun.
Bir sistem y″ + 6y′ + 13y = 7u 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″ + 6y′ + 13y = 7ut = 0,1 s
g(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 40/(s² + 8s + 80)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.
G(s) = 40/(s² + 8s + 80)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
m = 10 kg kütle, k = 1000 N/m yay ve c = 40 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 20 N kuvvet uygulanıyor. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.
m = 10 kgk = 1000 N/mc = 40 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 5 Ω üzerinden alınır, L = 10 mH ve C = 2,2 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.
R = 5 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
8.Bode diyagramları ve paylarZor
Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 115/(s(s + 5))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.
L(s) = 115/(s(s + 5))
ωc = rad/s
3Çözeltiler
1.Evrişim ve LTI sistemler
Cevap: D = 4 s
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).
Başlangıç ve bitiş
tstart = 0 + 0 = 0 s
tend = 3 + 1 = 4 s
Cevap
D = 4 s
Cevap
D = 4 s
2.Evrişim ve LTI sistemler
Cevap: c5 = 0,2546
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.
Harmonik numarası
f₀ = 1/T = 200 Hz → k = 1000/200 = 5
Genlik
c5 = 4·1/(5π) = 0,2546
Cevap
c5 = 0,2546
3.Laplace dönüşümleri
Cevap: A = 13,5
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 + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)
Kapatma kuralı
(s + 4) ile çarpın ve s = −4 koyun: B terimi yok olur.
A = (3s + 39)/(s + 6) |s = −4 = 27/2 = 13,5
Cevap
A = 13,5
(B = −10,5, dolayısıyla f(t) = 13,5·e−4t − 10,5·e−6t)
4.Laplace dönüşümleri
Cevap: g(0.1) = 0,5151
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) = 7/(s² + 6s + 13)
Kısmi kesirler
s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 2²
G(s) = (7/2)·2/((s + 3)² + 2²)
Darbe yanıtı
g(t) = e−3t·(3,5·sin 2t)
g(0,1) = 0,5151
Cevap
g(0,1) = 0,5151
5.Basamak yanıtı
Cevap: %OS = 20,79 %
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 = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,944) = 0,4472
Sonuç
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,571 = 20,79 %
Cevap
%OS = 20,79 %
6.Basamak yanıtı
Cevap: xmax = 30,53 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) = √(1000/10) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(1000·10)) = 0,2
Sonuç
xst = F/k = 20/1000 m = 20 mm
%OS = 52,66 %
xmax = 20·(1 + 0,5266) = 30,53 mm
Cevap
xmax = 30,53 mm
7.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: BW = 79,58 Hz
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.
Rezonans frekansı
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁶) = 6742 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1073 Hz
Bant genişliği
BW = R/L = 5/0,01 = 500 rad/s = 79,58 Hz
Cevap
BW = 79,58 Hz
8.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: ωc = 10,16 rad/s
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.