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 = −1 s ile t = 1 s arasında, h(t) ise yalnızca t = −1 s ile t = 0 s arasında sıfırdan farklıdır. y(t) = x(t) ∗ h(t) işaretinin başladığı zamanı (tstart) bulun.
x: −1 … 1 sh: −1 … 0 s
tstart = s
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
Bir üçgen dalga, T = 2 ms periyotla −4 ile +4 arasında doğrusal olarak yükselir ve alçalır. 2500 Hz’deki Fourier bileşeninin genliğini (c5) bulun.
±4T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =
3.Laplace dönüşümleriOrta
F(s) = 4/(s² + 6s + 18) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.
F(s) = 4/(s² + 6s + 18)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Laplace dönüşümleriZor
Bir sistem y″ + 6y′ + 5y = 2u′ + 6u 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 = 0,4 s anında hesaplayın. g(0,4) değerini bulun.
y″ + 6y′ + 5y = 2u′ + 6ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.Basamak yanıtıOrta
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 66/(s² + 5s + 22)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.
G(s) = 66/(s² + 5s + 22)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
m = 1 kg kütle, k = 500 N/m yay ve c = 22 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. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.
m = 1 kgk = 500 N/mc = 22 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
G(s) = 5491/((s + 17)(s + 19)) fonksiyonunun ω = 2 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.
G(s) = 5491/((s + 17)(s + 19))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Bode diyagramları ve paylarZor
Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 2,4/(s(s + 2))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.
L(s) = 2,4/(s(s + 2))
ωc = rad/s
3Çözeltiler
1.Evrişim ve LTI sistemler
Cevap: tstart = −2 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 = −1 + (−1) = −2 s
tend = 1 + 0 = 1 s
Cevap
tstart = −2 s
Cevap
tstart = −2 s
2.Evrişim ve LTI sistemler
Cevap: c5 = 0,1297
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 = 500 Hz → k = 5
Genlik
c5 = 8·4/(π²·5²) = 0,1297
Cevap
c5 = 0,1297
3.Laplace dönüşümleri
Cevap: f(0.25) = 0,4293
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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²
Payı eşleştirin
F(s) = (4/3)·3/((s + 3)² + 3²)
Ters dönüşüm
f(t) = e−3t·(1,333·sin 3t)
f(0,25) = e−3·0,25·(1,333·sin(3·0,25)) = 0,4293
Cevap
f(0,25) = 0,4293
4.Laplace dönüşümleri
Cevap: g(0.4) = 0,8057
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) = (2s + 6)/(s² + 6s + 5)
Kısmi kesirler
s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 1, B = 1
Darbe yanıtı
g(t) = e−t + e−5t
g(0,4) = 0,8057
Cevap
g(0,4) = 0,8057
5.Basamak yanıtı
Cevap: tp = 0,7916 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).
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) = √(500/1) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 22/(2·√(500·1)) = 0,4919
Sonuç
xst = F/k = 10/500 m = 20 mm
%OS = 16,95 %
xmax = 20·(1 + 0,1695) = 23,39 mm
Cevap
xmax = 23,39 mm
7.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: |G(jω)| = 24,5 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.
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.