SISTEMAS
Prof. Marcelo de Oliveira Rosa
Sistemas
Definição
Entidade que
manipula um ou vários sinais
(entrada), produzindo um ou vários sinais (saída)
Composição:
Sinais de entrada
Sistema (propriamente dito)
Sistema
Sinais de
saída
Sinais de saída
Sinais de
entrada
Sistemas
Definição
Terminologias adicionais
Entradas
Excitação x(t)
Saídas Resposta y(t)
Matematicamente
h{} é uma operação
realizada sobre uma função x(t)
para produzir uma função y(t)
x(t)
h{}
y(t)
Sistemas
Diagrama de Blocos
Somador
w(t)
= x(t) – y(t) + z(t)
z(t)
+
z(t)
x(t)
+
x(t)
+
+
+
+
w(t)
z(t)
w(t)
y(t)
x(t)
+
Σ
-
-
y(t)
y(t)
w(t)
Sistemas
Diagrama de Blocos
Amplificador
y(t)
= K x(t)
x(t)
x(t)
x(t)
K
y(t)
y(t)
K
K
y(t)
Sistemas
Diagramas de Blocos
Integrador/diferenciador
y(t)
= ∫ x(τ) dτ
(de – ∞ até t)
x(t)
y(t)
∫
y(t)
d/dt
y(t)
= dx(t)/dt
x(t)
Sistemas
Exemplos
Navegação de
barcos
Entradas
Empuxo da hélice
Posição do leme
Direção e velocidade da correnteza
Saída
Direção do barco
Velocidade do barco
Sistema
Dinâmica dos fluidos
Equações do movimento de corpos
Sistemas
Exemplos
Suspensão automotiva
Entradas
Distância entre roda e solo
Saídas
Distância entre chassi e chão
Sistema
Equações dinâmicas de movimento
fator de amortecimento
energia elástica.
Sistemas
Exemplos
Ponte
Entrada
Direção do vento
Velocidade do vento
Saída
Deslocamento da ponte
Sistema
Dinâmica dos fluidos
Interação entre fluido e estrutura
exemplo: Ponte Tacoma
Sistemas
Exemplos
Corpo
humano
Entradas
Dose de medicamento
Saídas
Concentração da dose no corpo
Sistema
Equação farmacocinética do medicamento
Equação de infusão e eliminação do medicamento
Sistemas
Modelagem de sistemas
Definir equações que
“ligam” as entradas às saídas
Geralmente equações integro-diferenciais
Equações diferenciais ordinárias (por exemplo)
Há sistemas complexos demais para modelagem
detalhada
Uso de aproximações e simplificações
Tratamento estocástico
Exemplos
Sistemas
Propriedades
Resposta com entrada nula
Saída do sistema para entrada x(t)
= zero
Condições de contorno não-nulas
Caracteriza efeito da energia inicial do sistema na saída
Resposta com condições
iniciais nulas
Saída do sistema para entrada x(t)
≠ zero
Condições de contorno nulas
Geralmente energia inicial do sistema é nula
Sistemas
Propriedades
Resposta total
≠
Respostas com entrada nula + Respostas com
condições inicias nulas
Existe situações de igualdade
EDOs
lineares a coeficientes constantes
Solução homogênea
Solução particular
Sistemas
Propriedades
Homogeneidade
Um sistema é homogêneo quando sua saída é sempre
proporcional à sua entrada
Condições iniciais nulas
x(t ) y(t ) ax(t) ay(t)
h{}
h{}
Sistemas
Propriedades
Aditividade
Duas entradas (x1(t) e x2(t))
produzem respostas y1(t) e
y2(t), respectivamente, para um sistema H.
Condições iniciais nulas
O
sistema é aditivo se x3(t) [= x1(t) + x2(t)] produzir
resposta y3(t) [= y1(t) + y2(t)]
h{}
x1 ( t )
y1 ( t )
h{}
x 2 ( t ) y 2 ( t )
h{}
x1 ( t ) x 2 ( t ) y1 ( t ) y 2 ( t )
Sistemas
Propriedades
Linearidade
Combinação de homogeneidade e aditividade.
Princípio da superposição.
“Dividir para conquistar”
Método comum a classe de sistemas (lineares)
h{}
x1 ( t )
y1 ( t )
h{}
x 2 ( t ) y 2 ( t )
h{}
ax1 ( t ) bx 2 ( t )
ay1 ( t ) by 2 ( t )
Sistemas
Propriedades
Linearidade
Como aplicar o
método a sistemas não-lineares?
Processo de linearização
Linearização
Equações diferenciais não-lineares exatas transformadas
em equações diferenciais lineares aproximadas
Adição de restrições para aproximação
Exemplo clássico:
Pêndulo para pequenos ângulos
Sistemas
Propriedades
Invariância no tempo
Um sistema é invariante no tempo se uma entrada x(t)
atrasada/adiantada t0 instantes de tempo produz uma
saída atrasada/ adiantada t0 instantes de tempo
Condições iniciais nulas
x(t) y(t) x(t t 0 ) y(t t 0 )
h{}
h{}
Sistemas
Propriedades
Linearidade e
Invariância no tempo
LTI
“Linear and time-invariant system”
Combinação de linearidade e invariância no tempo
Classe específica de sistemas
Análise será baseada em relações em excitações específicas
Uso de convolução
Sistemas
Propriedades
Estabilidade
O
sistema não “explode”
Critério BIBO
Para qualquer excitação limitada, o sistema produzirá
sempre respostas limitadas
x(t) A y(t) h{x(t)} B
Condições iniciais nulas
Sistemas
Propriedades
Estabilidade
Para um sistema descrito por uma EDO
linear com
coeficientes constantes, a solução homogênea (sem
excitação)
Descrita por combinação linear de exponenciais complexas
Exponenciais complexas = autofunções
Se Re{autovalores} ≥ zero sistema instável
Se Re{autovalores} < zero sistema estável
Caso particular importante
Sistemas
Propriedades
Causalidade
Um sistema é causal
se ele apresenta resposta somente
durante ou após a aplicação de alguma excitação.
Sistema não-antecipatório
x(t ) 0, t t 0 y(t ) 0, t t 0
Condições iniciais nulas
Sistemas
Propriedades
Causalidade
Processamento tempo-real
Não-causal processamento off-line
Causal
Impossibilidade de aplicações em tempo real, pois análise
depende do “futuro”.
Sistemas
Propriedades
Causalidade
Exemplo:
Mercado de ações e filtro média-móvel.
Sistemas
Propriedades
Memória
Um sistema com
memória depende das excitações em
instantes anteriores ou posteriores, além da
excitação no instante atual.
Também chamado sistema dinâmico
Um sistema sem
memória depende apenas da excitação
no instante atual
Também chamado sistema estático
Sistemas
Propriedades
Reversibilidade/Inversibilidade
Um sistema é
inversível se excitações singulares
produzem respostas singulares
y(t ) h{x(t )} x(t ) h 1{y(t )}
Condições iniciais nulas
Sistema inverso “anula”
completamente os efeitos do
sistema direto.
Idéia de função bijetora
Sistemas
Convolução
Estado atual:
Sistemas descritos por EDOs
Solução completa soluções particular + homogênea
Solução homogênea combinação linear de autofunções
Questão:
Podemos analisar o sistema sem considerar excitações
e respostas?
Sistemas
Convolução
Princípio
básico
Excitação
Combinação linear de sinais “elementares”
Sistema específico
Sistemas lineares e invariantes no tempo (LTI)
Uso do princípio de sobreposição
Resposta
Sinal
Combinação linear dos efeitos produzidos pelos sinais
“elementares”
elementar sinal impulso δ(t)
Sistemas
Convolução
Sistema original
F(y, y’, y’’,
..., y(n-1), y(n)) = G(x, x’, x’’, ..., x(m-1), x(m))
y = y(t) e x = x(t)
Resposta ao
A(h,
impulso h(t)
h’, h’’, ..., h(n-1), h(n)) = B(δ, δ’, δ’’, ..., δ(m-1), δ(m))
h = h(t) e δ = δ(t)
Sistemas
Convolução
Obtenção da
resposta ao impulso h(t)
h(t) hh(t)
Características da solução particular
Encontre solução homogênea de
Derive h(t) até a n-ésima derivada e aplique no lado
esquerdo da EDO: deve haver correspondência com todas
as derivadas de δ(t) até m-ésima derivada
Para t = zero
Combinação linear de h(t) e suas derivadas = zero
Para t ≠ zero
Garantia de solução homogênea “vingar”
Sistemas
Convolução
Obtenção da
resposta ao impulso h(t)
n>m
hh(t) u(t)
n=m
hh(t) u(t) + Kδ δ(t)
n<m
hh(t) u(t) + [K(m-n)u(m-n)(t) + K(m-n-1)u(m-n-1)(t) + ... +
K1u1(t) + K0u0(t)]
u0(t) = δ(t), u1(t) = δ’(t), ...
Sistemas
Convolução
Resposta ao
impulso
Descrição do sistema para qualquer excitação
Apenas para sistemas lineares e invariantes no tempo!
Como obter resposta dado h(t) e excitação?
Sistemas
Convolução
Decomposição de x(t)
Tp
em soma de pulsos
duração dos pulsos
Sistemas
Convolução
Decomposição de x(t)
em soma de pulsos
Combinação linear de pulsos deslocados no tempo.
t nTp
x (nTp ) rect
T
n
p
x (t )
t nTp
1
Tp x (nTp ) rect
T
T
n
p
p
pulso retangular unitário
Sistemas
Convolução
Pelo princípio da superposição...
Válido para sistemas lineares e
invariantes no tempo
Lembre-se do exemplos dos filtros RC, RL, RLC, LC
x(t) = pulso unitário y(t) = hp(t)
y( t )
T x(nT ) h
n
p
p
p
( t nTp )
Sistemas
Convolução
Exemplo
Excitação
senóide amortecida
Sistema filtro RC
Sistemas
Convolução
Exemplo
Excitação
senóide amortecida
Sistema filtro RC
Sistemas
Convolução
Considerando o
limite Tpτ
Excitação
x(t ) d x() δ(t ) x(t ) δ(t )
Qualquer sinal = combinação linear de δ(t)
Resposta
y(t ) d x() h(t ) x(t ) h(t )
Integral de convolução
Sistemas
Convolução
Diagrama de
y(t)
blocos
= h(t) * x(t)
h(t)
x(t)
Reforçando
h(t)
resposta ao impulso do sistema
y(t)
Sistemas
Propriedades da Convolução
y(t ) x(t ) h(t ) x() h(t )d
Em
relação à variável τ
x(τ) é
mantido é mantida fixa
h(t – τ) é revertida e deslocada t instante de tempo
Reflexão h(–τ)
Atraso no tempo h(–(τ – t))
Sistemas
Propriedades da Convolução
Visualização do processo
Para cada t
“fixo”, calculamos a integral (–∞ a +∞)
Sistemas
Propriedades da Convolução
Convolução entre dois
pulsos unitários
Sistemas
Propriedades da Convolução
Amostragem do
impulso
x(t) * A δ(t t 0 ) A x(t t 0 )
Comutativa
x(t ) y(t ) y(t ) x(t )
Distributiva
x(t ) y(t ) z(t ) x(t ) y(t ) x(t ) z(t )
Sistemas
Propriedades da Convolução
Associativa
x(t ) * y(t ) z(t ) x(t ) y(t ) z(t )
x(t)
y(t)
z(t)
w(t)
x(t)
y(t)
z(t)
w(t)
Sistemas
Propriedades da Convolução
Distributiva
x(t ) y(t ) z(t ) x(t ) y(t ) x(t ) z(t )
x(t)
y(t)+z(t)
w(t)
y(t)
+
+
x(t)
+
z(t)
w(t)
Sistemas
Propriedades da Convolução
Se y(t)
= x(t)*h(t)
Diferenciação
y' (t ) x' (t ) h(t ) x(t ) h' (t )
Área
Área de y(t) Área de x(t) Área de h(t)
Escala
y(at) a x(at) h(at)
Sistemas
Propriedades da Convolução
Estabilidade
Se x(t) é
limitado
x(t ) B
Então
y(t ) x(t ) h(t ) B h() d
Um sistema é estável ser sua resposta ao impulso for
absolutamente integrável
Existência da convolução
Sistemas
Propriedades da Convolução
Causalidade
Um sistema linear e invariante no tempo é causal
h(t ) 0, t 0
Sistema não-antecipatório
Convolução em tempo-real
se
Sistemas
Propriedades da Convolução
Memória
Um sistema linear e invariante no tempo é estático se:
h(t ) 0, t 0
Sistema sem memória
Sistemas
Diagrama de Blocos
Genericamente
N
M
n 0
m 0
(n )
(m)
a
y
(
t
)
b
x
n
m (t)
Sistema linear e invariante no tempo
Pode ser representado por convolução
Sistemas
Diagrama de Blocos
Usando
integradores (forma direta I):
bn
x(t)
+
1/an
+
y(t)
–
∫
∫
bn-1
+
+
an-1
∫
∫
bn-2
b1
+
+
+
+
an-2
a1
∫
∫
b0
a0
Sistemas
Diagrama de Blocos
Pela propriedade de comutação
x(t)
1/an
+
bn
+
–
∫
+
an-1
bn-1
∫
+
+
∫
∫
an-2
bn-2
a1
b1
∫
a0
+
∫
b0
+
+
y(t)
Sistemas
Diagrama de Blocos
Simplificando
x(t)
(forma direta II)
1/an
+
bn
+
–
∫
+
an-1
bn-1
+
∫
+
+
an-2
bn-2
a1
b1
∫
a0
b0
+
+
y(t)