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)