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)t22h(t)t1

x(t) = 2 (0 ≤ t < 2 s için, başka yerde sıfır) darbesi, h(t) = e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Darbe bittikten sonra, t = 4 s anında çıkışı (y(4)) bulun.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−5tu(t)t = 4 s
y(4) =
2.Evrişim ve LTI sistemlerZor
10cos(7,5t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

x(t) = 10·cos(7,5t) girişi, h(t) = 10·e−5tu(t) olan bir sisteme uygulanıyor. Kalıcı durum çıkışının genliğini (Ym) bulun.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 10cos(7,5t)
Ym =
3.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (5s + 34)/(s² + 7s + 6). Ters dönüşümü f(t) = A·e−t + B·e−6t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.

F(s) = (5s + 34)/(s² + 7s + 6)
A =
4.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Bir sistem y″ + 3y′ + 2y = 6·u(t) denklemine uyuyor. Dinlenme durumunda başlar (y(0) = 0, y′(0) = 0) ve giriş, t ≥ 0 için u(t) = 1 basamağıdır. Çıkış y(0,2) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 3y′ + 2y = 6·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 90/(s² + 7s + 30)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 90/(s² + 7s + 30)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
+−10 VR = 38 ΩL = 10 mHC = 10 µFvC​

R = 38 Ω, L = 10 mH ve C = 10 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 10 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatörün tepe gerilimini vC,max bulun.

R = 38 ΩL = 10 mHC = 10 µFV = 10 V
vC,max = V
7.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

G(s) = 38(s + 10)/(s(s + 5)) fonksiyonunun ω = 5 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 38(s + 10)/(s(s + 5))ω = 5 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) = K/(s(s + 5)(s + 7))’dır. 15 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 7))GM = 15 dB
K =

3Çözeltiler

1.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: y(4) = 1,816 × 10⁻⁵

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(2) = (2/5)(1 − e−10) = 0,4

Darbeden sonraki sönümlenme

y(4) = 0,4·e−5·2 = 1,816 × 10⁻⁵

Cevap

y(4) = 1,816 × 10⁻⁵
2.Evrişim ve LTI sistemler

Cevap: Ym = 11,09

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) = 10/(5 + jω)

Giriş frekansındaki kazanç

|H(j7,5)| = 10/√(5² + 7,5²) = 1,109
Ym = 10·1,109 = 11,09

Cevap

Ym = 11,09
3.Laplace dönüşümleri

Cevap: A = 5,8

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 + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 6)

Kapatma kuralı

(s + 1) ile çarpın ve s = −1 koyun: B terimi yok olur.

A = (5s + 34)/(s + 6) |s = −1 = 29/5 = 5,8

Cevap

A = 5,8
(B = −0,8, dolayısıyla f(t) = 5,8·e−t − 0,8·e−6t)
4.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.2) = 0,09858

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) = 6/(s(s + 1)(s + 2))

Kısmi kesirler

A = 6/(1·2) = 3
B = 6/((−1)·1) = −6
C = 6/((−2)·(−1)) = 3

Çıkarılan

y(t) = 3 − 6·e−t + 3·e−2t
y(0,2) = 0,09858

Cevap

y(0,2) = 0,09858
5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 7,354 %

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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,477) = 0,639

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,61 = 7,354 %

Cevap

%OS = 7,354 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: vC,max = 10,94 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (38/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,01) = 0,6008

Sonuç

%OS = 9,43 %
vC,max = 10·(1 + 0,0943) = 10,94 V

Cevap

vC,max = 10,94 V
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(5/10) − 90° − atan(5/5) = 26,57° − 90° − 45°

Sonuç

∠G(j5) = −108,4°

Cevap

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

Cevap: K = 74,69

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/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Gerekli kazanç

420/K = 1015/20 = 5,623
K = 420/5,623 = 74,69

Cevap

K = 74,69

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