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Semanas 3 e 4: Sistemas e sua Classificação
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 2
DEFINIÇÃO
• Um sistema é um modelo matemático de um processo físico que relaciona o sinal de entrada (excitação) com o sinal de saída (resposta).
• Usaremos, como exemplo, x(t) como o sinal de entrada de um sistema e y(t) como a resposta do sistema a esse sinal.
• Assim, a representação matemática desse sistema será: •
• Onde T é a representação da regra que transforma x em y.• Sabendo que um sinal é a representação de um valor que muda
no tempo, e que um sinal carrega consigo informação, podemos também dizer que um sistema é a abstração de um processo ou objeto que coloca um número de sinais dentro de algum relacionamento.
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 3
Sistemas com Uma ou Múltiplas entradas e saídas
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Sistemas Contínuos e Discretos no Tempo
• Quando os sinais de entrada e saída do sistema são sinais contínuos, isto é, tem valores contínuos de amplitude e de tempo, dizemos que o sistema é contínuo no tempo.
• Por outro lado, os sinais de entrada e saída podem ser discretos. Quando isso ocorre, o sistema é dito como discreto no tempo.
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Representação de Sistemas Contínuos e Sistemas Discretos
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Sistemas Com Memória e Sem Memória
• Um sistema é dito ser um sistema sem memória quando a saída em qualquer tempo depende somente da entrada naquele mesmo tempo.
• Um exemplo de sistema sem memória é um resistor R onde o sinal de entrada x(t) é a corrente e de saída y(t) é a tensão no resistor.
• O relacionamento de entrada e saída no Resistor é: y(t)=Rx(t) (Lei de Ohm).
• Sistemas que dependam de fatores anteriores são ditos sistemas com memória.
• Um exemplo de sistema com memória é um capacitor C que possui a corrente x(t) como entrada e a tensão y(t) como sinal de saída.
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 7
Exemplo de Sistema com Memória
• Sistema discreto onde a entrada e a saída estão relacionados.
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SISTEMAS
Sistemas com memória
Sistemas sem memória
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Sistema Causal e Não Causal
• Um sistema é chamado de causal se sua saída y(t) em qualquer tempo arbitrário t=t0 depende somente da entrada x(t) para t t0..
• Isto é, a saída de um sistema causal no tempo presente depende somente dos valores presentes ou passados da entrada, não de valores futuros.
• Ou seja, nunca poderemos ter uma saída se não for aplicado uma entrada!
• Um sistema é chamado de não causal se não for causal.• Ex.: y(t)=x(t +1) p/ t=-1 ; y[n]=x[-n] p/ n=-1
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 10
Exemplos de Sistemas não Causais
• A saída de um sistema causal no tempo presente depende somente dos valores presentes ou passados da entrada, não de valores futuros.
• Note que todos os sistemas sem memória são causais. Más o inverso não é verdadeiro.
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Sistemas Lineares e Não Lineares
• Se o operador T satisfaz as condições (1) e (2) então ele é dito ser um sistema linear e o operador é chamado de operador linear.
• (1) Aditividade => Tx1=y1 e Tx2=y2 então
T{x1+ x2} = y1+ y2 para qualquer sinais x1 e x2 .
(2) Homogeneidade ou Escalar
T{x} = y para qualquer sinal de x e escalar .
• Qualquer sistema que não satisfaz as condições (1) e
(2) é chamado de sistema não linear.
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 12
Sistemas Lineares e Não Lineares
As condições anteriores podem ser combinadas numa única condição:
1
)()()()( 22112211 tytytxtxT
Exemplo de sistemas não lineares: y = x2 ; y =cos x.
Note que como consequencia da propriedade de homogeneidade de sistemas lineares é que uma entrada zero produz uma saída zero. Ou se =0 então a saída também será zero.
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 13
Sistemas Variantes e Invariantes no Tempo.
O deslocamento do sinal representa o que ocorre com o sinal de saída em relação ao sinal de entrada. Definindo o deslocamento como T, o deslocamento é dado por:
)(
)(
tx
tyT
)(
)()(
sX
sYsH
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 14
Sistemas Variantes e Invariantes no Tempo.
• No domínio da frequência, o deslocamento do sinal é chamado de H(s), onde s é a frequência, e H(s) é a relação do sinal de saída com o sinal de entrada, estando a saída e a resposta também no domínio da frequência.
• Neste caso, chamamos H(s) de função de transferência do sistema (FT).
• Para o cálculo e estudo de sistemas, é particularmente interessante estudarmos sistemas no qual o deslocamento do sinal não seja variável no tempo, pois assim podemos trabalhar com um sistema no qual apenas uma função será sua característica.
• Desta forma a FT é constante!
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 15
Sistema Invariante no TempoUm sitema é invariante no tempo se para um deslocamento no tempo (atraso ou avanço) do sinal de entrada houver o mesmo deslocamento de tempo no sinal de saída. Para sistemas contínuos teremos:
)()}({ ztyztxT
][]}[{ knyknxT Um sistema que não satisfaz as equações acima é
chamado de variante no tempo.
E para sistemas discretos teremos:
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Sistemas Lineares Invarintes no Tempo (Sistemas LTI)
• Sistemas lineares que também são invariantes no tempo são ditos sistemas Lineares Invariantes no Tempo ou Sistemas LTI (Linear Time Invariant).
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 17
Sistemas Estáveis
• Um sistema é dito ser um sistema estável se ele satisfaz a condição de que um sinal de entrada x(t) produz uma resposta também limitada y(t), de forma que:
2
1
)(
)(
kty
ktx
Note que K1 e K2 são constantes reais e finitas!
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Sistemas com Realimentação ou Feedback
• Sistemas com retroalimentação, também chamados de sistemas de feedback ou retorno, são sistemas cuja saída é controlada pela entrada.
• Um exemplo bastante prático de sistema retroalimentado é uma estufa que tenha um sensor de temperatura.
• Desejando manter a temperatura constante, um sensor é instalado, junto com um ventilador ou um ar condicionado.
• Caso a temperatura lida esteja mais alta que a especificada, o sistema irá atuar para corrigir a saída.
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Sistemas com Realimentação ou Feedback
Num sistema de Feedback o sinal de saída retorna e é adicionado a entrada do sistema.
y(t)SistemaE
x(t)
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RELAÇÕES IMPORTANTES:
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Fórmula de Euler
Identidades Trigonométricas
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 22
Identidades Trigonométricas
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 23
Expanção em Séries de Potências
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 24
Funções Logarítmicas e Exponenciais
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 25
)cos()()(
)()cos()(` xjxsenxf
xsenjxxf
)()(
)cos()()(
)cos()()(
`
`
2`
xfjxf
xxsenjjxf
xjxsenjxf
Revisão sobre Números Complexos
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 26
Cxjxf
exf
jdxdxxf
xf
Cjx
)(ln
)(
)(
)(`
Revisão sobre Números Complexos
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 27
Revisão sobre Números Complexos
• Onde j é o número complexo, x é a frequência e C a defasagem do sinal.
• Normalmente trabalhamos com a defasagem inicial sendo 0, para simplificar os cálculos.
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Exercícios Sobre Sinais e Sistemas
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1) Um sinal contínuo x(t) é mostrado na figura abaixo, desenhe e rotule cada um dos seguintes sinais:
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 30
Resolução 1(a): SINAL DESLOCADO E ATRASADO EM RELAÇÃO A REFERÊNCIA
t’ = t-2t’ = 0 → t = 2t’ = 1 → t = 3t’ = 2 → t = 4t’ = 3 → t = 5t’ = 4 → t = 6
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 31
Resolução 1(b): SINAL COMPRIMIDO EM RELAÇÃO A t E AMPLITUDE AMPLIFICADA EM RELAÇÃO A t
t’ = 2tt’ = 0 → t = 0t’ = 1 → t = 1/2t’ = 2 → t = 1t’ = 3 → t = 3/2t’ = 4 → t = 2
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 32
Resolução 1(c): SINAL EXPANDIDO EM RELAÇÃO A t E AMPLITUDE COMPRIMIDA EM RELAÇÃO A t
t’ = t/2t’ = 0 → t = 0t’ = 1 → t = 2t’ = 2 → t = 4t’ = 3 → t = 6t’ = 4 → t = 8
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Resolução 1(c): SINAL TRANSLADADO EM 180°
t’ = -tt’ = 0 → t = 0t’ = 1 → t = -1t’ = 2 → t = -2t’ = 3 → t = -3t’ = 4 → t = -4
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 34
Resolução do exercício 1
Sinal atrasado de 2 unidades! Sinal comprimido!
Sinal expandido de 2 unidades! Sinal transladado de 180 graus!
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 35
2) Um sinal discreto no tempo é mostrado na figura abaixo. Desenhe e rotule cada um dos seguintes sinais:
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 36
Resolução 2(a): SINAL DESLOCADO E ATRASADO EM 2 UNIDADES EM RELAÇÃO A REFERÊNCIA
n’ = n-2n’ = -2 → n = 0n’ = -1 → n = 1n’ = 0 → n = 2n’ = 1 → n = 3n’ = 2 → n = 4n’ = 3 → n = 5n’ = 4 → n = 6n’ = 5 → n = 7n’ = 6 → n = 8
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 37
Resolução 2(b): SINAL COMPRIMIDO EM 2 UNIDADES EM RELAÇÃO A n
n’ = 2nn’ = -2 → n = -1n’ = -1 → n = -1/2n’ = 0 → n = 0n’ = 1 → n = 1/2n’ = 2 → n = 1n’ = 3 → n = 3/2n’ = 4 → n = 2n’ = 5 → n = 5/2n’ = 6 → n = 3
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 38
Resolução 2(c): SINAL TRANSLADADO EM 180°
n’ = -nn’ = -2 → n = 2n’ = -1 → n = 1n’ = 0 → n = 0n’ = 1 → n = -1n’ = 2 → n = -2n’ = 3 → n = -3n’ = 4 → n = -4n’ = 5 → n = -5n’ = 6 → n = -6
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PC-Semana 3e4 - RCBetini 39
Resolução 2(d): SINAL TRANSLADADO EM 180° E ADIANTADO DE 2 UNIDADES EM RELAÇÃO A n.
n’ = -n+2n’ = -2 → n = 4n’ = -1 → n = 3n’ = 0 → n = 2n’ = 1 → n = 1n’ = 2 → n = 0n’ = 3 → n = -1n’ = 4 → n = -2n’ = 5 → n = -3n’ = 6 → n = -4
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3) DADO O SINAL CONTÍNUO NO TEMPO ESPECIFICADO POR:
a) Determine a sequência discreta no tempo obtida pela amostragem uniforme de x(t), com um intervalo de amostragem de 0,25s:
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3) DADO O SINAL CONTÍNUO NO TEMPO ESPECIFICADO POR:
b) Determine a sequência discreta no tempo obtida pela amostragem uniforme de x(t), com um intervalo de amostragem de 0,50s:
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3) DADO O SINAL CONTÍNUO NO TEMPO ESPECIFICADO POR:
c) Determine a sequência discreta no tempo obtida pela amostragem uniforme de x(t), com um intervalo de amostragem de 1,00s:
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4) OS SEGUINTES SINAIS POSSUEM AMPLITUDE DISCRETA, TEMPO DISCRETO E/OU SÃO DIGITAIS?
• Número de dias de chuva por mês.
Amplitude e tempo discretos.• Média de temperatura alta por mês.
Amplitude contínua e tempo discreto.• Temperatura atual.
Amplitude e tempo contínuos.• População atual da china.
Amplitude discreta e tempo contínuo.• Produção diária de leite de uma vaca.
Tempo discreto e amplitude contínua.