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)t10h(t)t1

x(t) = 10·e−3tu(t) girişi, h(t) = e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. t = 2 s anında çıkışı (y(2)) bulun.

x(t) = 10·e−3tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
5cos(1,5t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

x(t) = 5·cos(1,5t) girişi, h(t) = 5·e−2tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının girişe göre fazını (φ) derece cinsinden bulun.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 5cos(1,5t)
φ = °
3.Laplace dönüşümleriOrta
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

F(s) = (3s + 32)/(s² + 2s + 1) için f(t)’yi bulun ve f(0,4) değerini hesaplayın.

F(s) = (3s + 32)/(s² + 2s + 1)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Bir sistem y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 4 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 5 basamak girişi uygulanır. y(0,1) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 27,5/(s² + 7s + 55)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 27,5/(s² + 7s + 55)
ts = s
6.Basamak yanıtıZor
k = 500 N/mc = 27 N·s/mm = 4 kgF = 10 Nx(t)

m = 4 kg kütle, k = 500 N/m yay ve c = 27 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 = 4 kgk = 500 N/mc = 27 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

G(s) = (s + 20)/(s(s + 10)) fonksiyonunun ω = 10 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = (s + 20)/(s(s + 10))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 456/(s(s + 6)(s + 9))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 456/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(2) = 0,01217

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).

Evrişim integrali

y(t) = 10e−5t∫₀ᵗ e−(3 − 5)τ dτ = 10(e−5t − e−3t)/(−2)

Hesaplayın

y(2) = 10·(4,54 × 10⁻⁵ − 0,002479)/(−2) = 0,01217

Cevap

y(2) = 0,01217
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: φ = −36,87 °

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.

Frekans yanıtı

H(jω) = 5/(2 + jω)

Giriş frekansındaki faz

φ = −atan(1,5/2) = −36,87°

Cevap

φ = −36,87°
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.4) = 9,787

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Kısmi kesirler

3s + 32 = 3(s + 1) + 29
F(s) = 3/(s + 1) + 29/(s + 1)²

Ters dönüşüm

f(t) = 3·e−t + 29·t·e−t
f(0,4) = (3 + 29·0,4)·e−0,4 = 9,787

Cevap

f(0,4) = 9,787
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 4,286

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) = 4s + 28 + 120/s
Y(s) = (4s² + 28s + 120)/(s(s + 3)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 120/(3·4) = 10
B = 72/((−3)·1) = −24
C = 72/((−4)·(−1)) = 18

Sonuç

y(t) = 10 − 24·e−3t + 18·e−4t
y(0,1) = 4,286

Cevap

y(0,1) = 4,286

Kontrol: y(0) = A + B + C = 4.

5.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 1,143 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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,416) = 0,4719

Sonuç

ζωₙ = 3,5 → ts ≈ 4/3,5 = 1,143 s

Cevap

ts = 1,143 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,2947 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) = √(500/4) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(500·4)) = 0,3019

Sonuç

ωd = 10,66 rad/s
tp = π/ωd = 0,2947 s

Cevap

tp = 0,2947 s
7.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −108,4 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(10/20) − 90° − atan(10/10) = 26,57° − 90° − 45°

Sonuç

∠G(j10) = −108,4°

Cevap

∠G(jω) = −108,4°
8.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 4,99 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.

Faz kesişimi

(ω/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7,348 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(810/456) = 4,99 dB

Cevap

GM = 4,99 dB

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