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)t11h(t)t1

x(t) = 1 (0 ≤ t < 1 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 2 s anında çıkışı (y(2)) bulun.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
δ[n]2+h[n]0,4·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = 0,4·y[n − 1] + 2·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Darbe yanıtı örneğini (h[2]) bulun.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

F(s) = (s + 35)/(s² + 6s + 9) için f(t)’yi bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = (s + 35)/(s² + 6s + 9)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

y″ + 8y′ + 15y = 0 denklemini y(0) = 7 ve y′(0) = −9 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,25) değerini bulun.

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 7y′(0) = −9t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 78/(s² + 12s + 78)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 78/(s² + 12s + 78)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
k = 400 N/mc = 11 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

m = 2 kg kütle, k = 400 N/m yay ve c = 11 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 25 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin en büyük olduğu zamanı tp bulun.

m = 2 kgk = 400 N/mc = 11 N·s/mF = 25 N
tp = s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

G(s) = 1064/((s + 4)(s + 19)) fonksiyonunun ω = 8 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1064/((s + 4)(s + 19))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = 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. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 40/(s(s + 3)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(2) = 0,001339

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(1) = (1/5)(1 − e−5) = 0,1987

Darbeden sonraki sönümlenme

y(2) = 0,1987·e−5·1 = 0,001339

Cevap

y(2) = 0,001339
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: h[2] = 0,32

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] = 2
h[1] = 0,8
h[2] = 0,32

Sonuç

h[2] = 2·(0,4)2 = 0,32

Cevap

h[2] = 0,32
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 4,31

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Kısmi kesirler

s + 35 = 1(s + 3) + 32
F(s) = 1/(s + 3) + 32/(s + 3)²

Ters dönüşüm

f(t) = e−3t + 32·t·e−3t
f(0,3) = (1 + 32·0,3)·e−3·0,3 = 4,31

Cevap

f(0,3) = 4,31
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 4,422

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

s²Y − 7s − (−9) + 8(sY − 7) + 15Y = 0
Y(s) = (7s + 47)/((s + 3)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 26/2 = 13
B = 12/(−2) = −6

Sonuç

y(t) = 13·e−3t − 6·e−5t
y(0,25) = 4,422

Cevap

y(0,25) = 4,422

Kontrol: y(0) = A + B = 7.

5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 5,455 %

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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,832) = 0,6794

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,909 = 5,455 %

Cevap

%OS = 5,455 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,2265 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) = √(400/2) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 11/(2·√(400·2)) = 0,1945

Sonuç

ωd = 13,87 rad/s
tp = π/ωd = 0,2265 s

Cevap

tp = 0,2265 s
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 15,22 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(j8)| = 1064/(√(8² + 4²)·√(8² + 19²)) = 1064/(8,944·20,62) = 5,77

Sonuç

20·log₁₀(5,77) = 15,22 dB

Cevap

|G(jω)| = 15,22 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 5,477 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.

Faz kesişimi

(ω/3)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(3·10) = 5,477 rad/s

Cevap

ω180 = 5,477 rad/s

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