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)t32h(t)t42

x(t) = 2 (0 ≤ t < 3 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = 2 (0 ≤ t < 4 s için, başka yerde sıfır) darbe yanıtına sahip bir sisteme uygulanıyor. t = 4.5 s anında çıkışı (y(4,5)) bulun.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
u[n]3+y[n]−0,5·z⁻¹+

Bir sistem y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] denklemine uyar ve durgun başlar. Giriş x[n] = u[n] birim basamağıdır. y[5] değerini bulun.

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 3)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,6) değerini hesaplayın.

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Bir sistem y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t) denklemine uyuyor. Dinlenme durumunda başlar (y(0) = 0, y′(0) = 0) ve giriş, t ≥ 0 için u(t) = 10 basamağıdır. Çıkış y(0,25) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 17,5/(s² + 3s + 35)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Sönüm oranı ζ değerini bulun.

G(s) = 17,5/(s² + 3s + 35)
ζ =
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 2)). %15 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 15 %
K =
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 2

G(s) = 490/((s + 5)(s + 14)) fonksiyonunun ω = 2 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 490/((s + 5)(s + 14))ω = 2 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)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 10/(s(s + 2))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 10/(s(s + 2))
PM = °

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(4.5) = 10

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).

Çevrilmiş darbenin çakışması

h(t − τ), h darbesinin çevrilip τ = t’de bitecek şekilde kaydırılmış hâlidir.

τ ∈ [0,5, 3] → uzunluk 2,5 s

İntegral

y(4,5) = 2·2·2,5 = 10

Cevap

y(4,5) = 10

y(t) bir yamuktur: 0’dan yükselir, 12’da kalır ve t = 7 s anında 0’a geri iner.

2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y[5] = 1,969

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

y[0] = 3
y[1] = 1,5
y[2] = 2,25
y[3] = 1,875
y[4] = 2,063
y[5] = 1,969

Sonuç

y[5] = 3·(1 − (−0,5)6)/(1 − (−0,5)) = 1,969

Cevap

y[5] = 1,969
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.6) = 0,8648

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).

Kısmi kesirler

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 10/(1·3) = 3,333
B = 10/((−1)·2) = −5
C = 10/((−3)·(−2)) = 1,667

Ters dönüşüm

f(t) = 3,333 − 5·e−t + 1,667·e−3t

Hesaplayın

f(0,6) = 3,333 − 5·e−0,6 + 1,667·e−3·0,6 = 0,8648

Cevap

f(0,6) = 0,8648
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 12,26

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) = 800/(s(s + 4)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 800/(4·5) = 40
B = 800/((−4)·1) = −200
C = 800/((−5)·(−1)) = 160

Çıkarılan

y(t) = 40 − 200·e−4t + 160·e−5t
y(0,25) = 12,26

Cevap

y(0,25) = 12,26
5.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,2535

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 = 35 → ωₙ = 5,916 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,916) = 0,2535

Sonuç

ζ = 0,2535

Cevap

ζ = 0,2535
6.Basamak yanıtı

Cevap: K = 3,742

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) = K/(s² + 2s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Kazanç

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,934 rad/s
K = ωₙ² = 3,742

Cevap

K = 3,742
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 16,17 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(j2)| = 490/(√(2² + 5²)·√(2² + 14²)) = 490/(5,385·14,14) = 6,434

Sonuç

20·log₁₀(6,434) = 16,17 dB

Cevap

|G(jω)| = 16,17 dB
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 34,93 °

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 + 4ω² − 100 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·100))/2 = 8,198
ωc = 2,863 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(2,863/2) = −145,1°
PM = 180° + ∠L = 34,93°

Cevap

PM = 34,93°

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