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)t4h(t)t21

Bir sistemin darbe yanıtı h(t) = e−0,5tu(t)’dir. Giriş x(t) = 4·u(t) basamağıdır. t = 8 s anında çıkışı (y(8)) bulun.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 8 s
y(8) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ(t)y′ + 10y = 10xh(t)

Bir sistem y′(t) + 10·y(t) = 10·x(t) denklemine uyar. t = 0,05 s anında darbe yanıtını (h(0,05)) bulun.

y′ + 10y = 10xt = 0,05 s
h(0.05) =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−5−10−15−20−25−30

F(s) = (s + 27)/(s² + 2s + 17) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,8) değerini hesaplayın.

F(s) = (s + 27)/(s² + 2s + 17)t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Bir sistem y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 6 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 1 basamak girişi uygulanır. y(0,1) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)2

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 150/(s² + 6s + 75)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 150/(s² + 6s + 75)
ωn = rad/s
6.Basamak yanıtıZor
k = 2000 N/mc = 13 N·s/mm = 2 kgF = 10 Nx(t)

m = 2 kg kütle, k = 2000 N/m yay ve c = 13 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 10 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin en büyük olduğu zamanı tp bulun.

m = 2 kgk = 2000 N/mc = 13 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

G(s) = 1170/((s + 5)(s + 13)) fonksiyonunun ω = 3 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1170/((s + 5)(s + 13))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = 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) = 13,2/(s(s + 4))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 13,2/(s(s + 4))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(8) = 7,853

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) = 4·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)

Hesaplayın

y(8) = 8·(1 − e−4) = 7,853

Cevap

y(8) = 7,853
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h(0.05) = 6,065

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.

Transfer fonksiyonu

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 10)

Darbe yanıtı

h(t) = 10·e−10tu(t)
h(0,05) = 10·e−0,5 = 6,065

Cevap

h(0,05) = 6,065
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.8) = −0,6191

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 + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

Payı eşleştirin

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (26/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−t·(cos 4t + 6,5·sin 4t)
f(0,8) = e−0,8·(cos(4·0,8) + 6,5·sin(4·0,8)) = −0,6191

Cevap

f(0,8) = −0,6191
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 5,857

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 + 7s + 12)·Y(s) = 6s + 42 + 36/s
Y(s) = (6s² + 42s + 36)/(s(s + 3)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 36/(3·4) = 3
B = −36/((−3)·1) = 12
C = −36/((−4)·(−1)) = −9

Sonuç

y(t) = 3 + 12·e−3t − 9·e−4t
y(0,1) = 5,857

Cevap

y(0,1) = 5,857

Kontrol: y(0) = A + B + C = 6.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 8,66 rad/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 = 75 → ωₙ = 8,66 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,66) = 0,3464

Sonuç

ωₙ = 8,66 rad/s

Cevap

ωn = 8,66 rad/s
6.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,09987 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).

Doğal frekans ve sönüm oranı

ωₙ = √(k/m) = √(2000/2) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(2000·2)) = 0,1028

Sonuç

ωd = 31,46 rad/s
tp = π/ωd = 0,09987 s

Cevap

tp = 0,09987 s
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 23,54 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(j3)| = 1170/(√(3² + 5²)·√(3² + 13²)) = 1170/(5,831·13,34) = 15,04

Sonuç

20·log₁₀(15,04) = 23,54 dB

Cevap

|G(jω)| = 23,54 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 55,72 °

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 + 16ω² − 174,2 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·174,2))/2 = 7,435
ωc = 2,727 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(2,727/4) = −124,3°
PM = 180° + ∠L = 55,72°

Cevap

PM = 55,72°

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