Lista 3 - Solução homegêna, Particular,

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    3 Lista de Exerccios Soluo Homognea, Particular, Completa e Diagrama de Blocos

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    Disciplina: IM 144 Prof. Dr. Janito Vaqueiro Ferreira

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    QUESTO 1.a:

    a) 2; (0) 0; (0) 2y y y y = = =gg g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    0y y =gg

    2 ( ) ( ) 0y t y t = (3.1)

    Como:

    ( )t

    y t e

    = (3.2)

    Substituindo a equao (3.2) na equao (3.1):

    ( )

    2

    2

    0

    1 0

    t t

    t

    e e

    e

    =

    =(3.3)

    2

    1 0 =Q 1,2 1 = (3.4)

    Soluo Particular (sp):

    ( ) y t C = (3.5)

    2y y =gg

    (3.6)

    Resolvendo a derivada da equao (3.6):

    0 ( ) 2y t = 2C = (3.7)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.8)

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    ( ) 2t ty t Ae Be= + (3.9)

    Derivando a equao (3.9):

    ( ) t ty t Ae Be= g

    (3.10)

    Extraindo os coeficientes da equao (3.9) e da equao (3.10), temos:

    ( ) 2y t A B= + (3.11)

    ( ) y t A B= g

    (3.12)

    Substituindo as condies iniciais, onde (0) 0; (0) 2y y= =g

    nas equaes (3.11) e (3.12):

    0 2A B= + (3.13)

    2 A B= (3.14)

    Resolvendo o sistema linear de duas equaes, obtemos:

    2A = e 0B =

    Substituindo na equao (3.9), temos como resposta:

    ( ) 2 2ty t e= (3.15)

    QUESTO 1.b:

    b) sin( ); (0) 3y y t y+ = =g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    0y y+ =g

    ( ) ( ) 0y t y t + = (3.16)

    Como:

    ( )ty t e= (3.17)

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    Substituindo a equao (3.17) na equao (3.16):

    ( )

    0

    1 0

    t t

    t

    e e

    e

    + =

    + =(3.18)

    1 0+ =Q 1 = (3.19)

    Soluo Particular (sp):

    ( ) ( ) cos( )y t Bsin t C t = + (3.20)

    sin( )y y t + =g

    (3.21)

    Resolvendo a derivada da equao (3.21):

    cos( ) sin( ) ( ) cos( ) sin( )B t C t Bsin t C t t + + =

    ( ) ( )cos( ) sin( ) sin( )B C t B C t t + + =

    0B C+ = e 1B C = (3.22)

    Resolvendo o sistema linear de duas equaes, obtemos:

    1

    2

    B = e1

    2

    C= (3.23)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.24)

    ( ) ( ) cos( )ty t Ae Bsin t C t = + + (3.25)

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    Substituindo as variveis da equao (3.23) na equao (3.25):

    1 1( ) ( ) cos( )

    2 2

    t y t Ae sin t t

    = + (3.26)

    Aplicando as condies iniciais, onde (0) 3y = na equao (3.26):

    0 1 1(0) (0) cos(0)2 2

    y Ae sin= +

    13

    2A= e

    7

    2A = (3.27)

    Substituindo na equao (3.26), temos como resposta:

    7 1 1( ) ( ) cos( )

    2 2 2

    ty t e sin t t = + (3.28)

    QUESTO 1.c:

    c) 2 3 5; (0) 2; (0) 4y y y y y+ + = = =gg g g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    2 3 0y y y+ + =gg g

    2 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 0y t y t y t + + = (3.29)

    Como:

    ( )ty t e

    = (3.30)

    Substituindo a equao (3.30) na equao (3.29):

    2 2 3 0t t te e e + + = (3.31)

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    ( )2 2 3 0te + + =

    2 2 3 0 + + =Q 1,2 1 2j = (3.32)

    Soluo Particular (sp):

    ( ) y t C = (3.33)

    2 3 5y y y+ + =gg g

    (3.34)

    Resolvendo a derivada da equao (3.34):

    3 5C= 5

    3C= (3.35)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.36)

    ( ) ( )1 2 1 2( )

    j t j t y t Ae Be C

    + = + +

    ( ) ( )1 2 1 2 5( )

    3

    j t j t y t Ae Be

    + = + + (3.37)

    Derivando a equao (3.37):

    ( )( )

    ( )( )1 2 1 2

    ( ) 1 2 1 2

    j t j t

    y t j Ae j Be

    +

    = + +

    g

    (3.38)

    Extraindo os coeficientes da equao (3.9) e da equao (3.10), temos:

    5( )

    3y t A B= + + (3.39)

    ( ) ( )( ) 1 2 1 2y t j A j B= + + g

    (3.40)

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    Substituindo as condies iniciais, onde (0) 2; (0) 4y y= =g

    nas equaes (3.39) e (3.40):

    5

    23

    A B= + + 1

    3A B+ = (3.41)

    ( ) ( )4 1 2 1 2j A j B= + +

    ( ) ( )1

    4 1 2 1 23

    j B j B = + +

    1 14 2 2 2

    3 3B j Bj B Bj= + +

    1 14 2 2 2

    3 3j Bj+ =

    13 12 2 2

    3 3j Bj =

    13 1 266 2 2

    j Bj j

    + =

    1 13

    6 6 2B

    j=

    (3.42)

    Substituindo a equao (3.42) na equao (3.41), temos:

    13 1 1

    6 36 2A j + =

    13 1 1

    6 36 2A

    j= +

    1 13

    6 6 2A

    j= + (3.43)

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    Substituindo na equao (3.37), temos como resposta:

    ( ) ( )1 2 1 21 13 1 13 5( )

    6 6 36 2 6 2

    j t j t y t e e

    j j

    + = + + +

    2 21 13 1 13 5( )6 6 36 2 6 2

    t j t t j t y t e e e ej j

    = + + +

    2 21 13 13 5( ) 1 16 32 2

    t j t j t y t e e ej j

    = + + +

    Como:2

    2

    cos

    cos( 2 ) ( 2 )

    cos( 2 ) ( 2 ) cos( 2 ) ( 2 )

    j t

    j t

    jae a jsena

    e t jsen t

    e t jsen t t jsen t

    = +

    = +

    = + =

    ( ) ( )1 13 13 5

    ( ) 1 cos( 2 ) ( 2 ) 1 cos( 2 ) ( 2 )6 32 2

    t y t e t jsen t t jsen t

    j j

    = + + + +

    13 13cos( 2 ) s n( 2 ) cos( 2 ) s n( 2 ) cos( 2 ) ( 2 )

    2 21 5( )

    13 136 3cos( 2 ) ( 2 )

    2 2

    t

    t j e t t j e t t jsen t j j

    y t e

    t jsen t j j

    + + + + = + +

    1 26 5

    ( ) 2 cos( 2 ) s n( 2 )6 32

    t y t e t e t

    = + +

    1 26 5( ) cos( 2 ) s n( 2 )

    3 36 2

    t y t e t e t

    = + +

    1 13 5( ) cos( 2 ) s n( 2 )

    3 33 2

    t t y t e t e e t

    = + + (3.44)

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    QUESTO 1.d:

    d) 4 4 5 ; (0) 1; (0) 6y y y t y y + = = =gg g g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    4 4 0y y y + =gg g

    2 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 0y t y t y t + = (3.45)

    Como: ( )ty t e= (3.46)

    Substituindo a equao (3.30) na equao (3.29):

    2 4 4 0t t te e e + = (3.47)

    ( )2 4 4 0te + =

    2 4 4 0 + =Q 1,2 2 = (3.48)

    Soluo Particular (sp):

    ( )y t C Dt = + (3.49)

    4 4 5y y y t + =gg g

    (3.50)

    Resolvendo a derivada da equao (3.50):

    4 4 4 5 D C Dt t + + = (3.51)

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    Assim:

    4 5Dt t = 5

    4

    D = (3.52)

    4 4 0C D + = 5

    4C D= = (3.53)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.54)

    2 2 5 5( )4 4

    t ty t Ae Bte t = + + + (3.55)

    Derivando a equao (3.55):

    2 2 2 5( ) 2 24

    t t ty t Ae Bte Be= + + +g

    (3.56)

    Extraindo os coeficientes da equao (3.55) e da equao (3.56), temos:

    5 5( )

    4 4y t A Bt t = + + + (3.57)

    5( ) 2 2

    4 y t A Bt B= + + +

    g

    (3.58)

    Substituindo as condies iniciais, onde (0) 1; (0) 6y y= =g

    nas equaes (3.57) e (3.58):

    5

    14

    A= + 1

    4A = (3.59)

    56 2

    4A B= + +

    192

    4A B+ = (3.60)

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    _____________________________________________________________________________________

    Substituindo a equao (3.60) na equao (3.59), temos:

    21

    4

    B = (3.61)

    Substituindo na equao (3.55), temos como resposta:

    2 21 21 5 5( )4 4 4 4

    t ty t e te t = + + + (3.62)

    QUESTO 1.e:

    e) 25 500 ; (0) 20ty y e y

    + = =g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    5 0y y+ =g

    ( ) 5 ( ) 0y t y t + = (3.63

    Como:

    ( )t

    y t e

    = (3.64)

    Substituindo a equao (3.64) na equao (3.63):

    ( )

    5 0

    5 0

    t t

    t

    e e

    e

    + =

    + =(3.65)

    5 0+ =Q 5 = (3.66)

    Soluo Particular (sp):

    2( ) ty t Be= (3.67)

    25 500 ty y e+ =g

    (3.68)

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    Resolvendo a derivada da equao (3.68):

    2 2 2

    2 2

    2 5 500

    3 500

    3 500

    t t t

    t t

    Be Be e

    Be e

    B

    + =

    =

    =

    500

    3B = (3.69)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.70)

    5 2( ) t ty t Ae Be = + (3.71)

    Aplicando as condies iniciais, onde (0) 20y = na equao (3.71):

    0 0500(0) 3y Ae e= +

    50020

    3A= +

    440

    3A = (3.72)

    Substituindo na equao (3.37) o valor da equao (3.35) e (3.38), temos como resposta:

    5 2440 500( )3 3

    t ty t e e = + (3.73)

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    QUESTO 1.f:

    d)2

    10 24 50 cos(3 ); (0) 4; (0) 1t

    y y y e t y y

    + + = = =

    gg g g

    Resposta:

    Soluo Homognea (sh):

    10 24 0y y y+ + =gg g

    2 ( ) 10 ( ) 24 ( ) 0y t y t y t + + = (3.74)

    Como:

    ( )

    t

    y t e

    = (3.75)

    Substituindo a equao (3.75) na equao (3.74):

    ( )

    2

    2

    10 24 0

    10 24 0

    t t t

    t

    e e e

    e

    + + =

    + + =(3.76)

    2 10 24 0 + + =Q 1 6 = e 2 4 = (3.77)

    Soluo Particular (sp):

    2 2( ) cos(3 ) sin(3 )t ty t Ce t De t = + (3.78)

    210 24 50 cos(3 )ty y y e t + + =

    gg g(3.79)

    Resolvendo a derivada primeira da equao (3.78):

    2 2 2 2( ) 2 cos(3 ) 3 (3 ) 2 sin(3 ) 3 cos(3 )t t t t y t Ce t Ce sin t De t De t = +g

    ( ) ( )2 2( ) 2 3 cos(3 ) 3 2 sin(3 )t ty t C D e t C D e t = + +g

    (3.80)

    ____________________________________________________________________________

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    Resolvendo a derivada segunda da equao (3.78):

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    2 2

    2 2

    ( ) 2 2 3 cos(3 ) 3 2 3 sin(3 )

    2 3 2 sin(3 ) 3 3 2 cos(3 )

    t t

    t t

    y t C D e t C D e t

    C D e t C D e t

    = + +

    + + +

    gg

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    2 2

    2 2

    ( ) 4 63 cos(3 ) 6 9 sin(3 )

    6 4 sin(3 ) 9 6 cos(3 )

    t t

    t t

    y t C D e t C D e t

    C D e t C D e t

    = +

    + + +

    gg

    ( ) ( )2 2( ) 4 6 9 6 cos(3 ) 6 9 6 4 sin(3 )t ty t C D C D e t C D C D e t = + + +gg

    ( ) ( )2 2( ) 5 12 cos(3 ) 12 5 sin(3 )t ty t C D e t C D e t = + gg

    (3.81)

    Aplicando as condies iniciais, onde (0) 4; (0) 1y y= =g

    na equao (3.83):

    210 24 50 cos(3 )ty y y e t + + =gg g

    ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2

    2

    5 12 cos(3 ) 12 5 sin(3 ) 10 2 3 cos(3 ) 3 2 sin(3 )

    24 ( ) 50 cos(3 )

    t t t t

    t

    C D e t C D e t C D e t C D e t

    y t e t

    + + + + + =

    ( ) ( )2 2 25 12 20 30 cos(3 ) 12 5 30 20 sin(3 ) 24 ( ) 50 cos(3 )t t tC D C D e t C D C D e t y t e t + + + =

    ( ) ( )2 2 225 18 cos(3 ) 18 25 sin(3 ) 24 ( ) 50 cos(3 )t t tC D e t C D e t y t e t + + + =

    Como:

    2 2( ) cos(3 ) sin(3 )t ty t Ce t De t = + (3.82)

    ( ) ( )2 2 2 2 225 18 cos(3 ) 18 25 sin(3 ) 24 cos(3 ) 24 sin(3 ) 50 cos(3 )t t t t t C D e t C D e t Ce t De t e t + + + + =

    Assim:

    ( )

    ( )

    2 2 2

    2 2

    25 18 cos(3 ) 24 cos(3 ) 50 cos(3 )

    18 25 sin(3 ) 24 sin(3 ) 0

    t t t

    t t

    C D e t Ce t e t

    C D e t De t

    + + =

    + =

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    17/23

    ( )

    ( )

    2 2

    2

    25 18 24 cos(3 ) 50 cos(3 )

    18 25 24 sin(3 ) 0

    t t

    t

    C D C e t e t

    C D D e t

    + + =

    + =

    18 50

    18 0

    C D

    C D

    + =

    =(3.83)

    Resolvendo o sistema linear, referente equao (3.83):

    2

    13C = e

    36

    13D = (3.84)

    Soluo Completa (sc):

    sc sh sp= + (3.85)

    4 6 2 22 36( ) cos(3 ) sin(3 )13 13

    t t t t y t Ae Be e t e t = + + (3.86)

    4 6 2 2 2 24 6 72 108( ) 4 6 cos(3 ) sin(3 ) sin(3 ) cos(3 )13 13 13 13

    t t t t t t y t Ae Be e t e t e t e t = + + +g

    (3.87)

    Aplicando as condies iniciais, onde (0) 4; (0) 1y y= =g

    na equao (3.83):

    0 0 0 02 36(0) cos(0) sin(0)13 13

    y Ae Be e e= + +

    24

    13A B= +

    54

    13A B+ = (3.88)

    0 0 0 0 0 04 6 72 108(0) 4 6 cos(0) sin(0) sin(0) cos(0)13 13 13 13

    y Ae Be e e e e= + + +g

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    18/23

    4 1081 4 6

    13 13A B= + +

    1124 6 1

    13A B+ = +

    994 6

    13A B+ = (3.89)

    Resolvendo o sistema linear composto pelas equaes (3.88) e (3.89), temos:

    225

    26A = e

    117

    26D = (3.90)

    Substituindo na equao (3.86) os valores da equao (3.90), temos como resposta:

    4 6 2 2225 117 2 36( ) cos(3 ) sin(3 )26 26 13 13

    t t t t y t e e e t e t = + (3.91)

    QUESTO 2: Construa o diagrama de blocos para o sistema descrito pela equao

    diferencial

    4 11 15 2 5 y y y y u u+ + + = +

    ggg gg g g

    Resposta:

    Isolando o termo de numerador da equao diferencial e adicionando o nmero de

    integradores da ordem do sistema, temos:

    2 5 4 11 15y u u y y y= + ggg g gg g

    (3.92)

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    18

    yggg

    ygg

    yg

    y

  • 8/8/2019 Lista 3 - Soluo homegna, Particular, ...

    19/23

    QUESTO 3.a: Determine a equao diferencial relacionada a cada um dos diagramas

    de blocos:

    Resposta:

    Dado nomes a todas as entradas e sadas do sistema, escreve-se a equao de cada

    componente:

    9 32 60y u y y y= ggg gg g

    9 32 60u y y y y= + + +ggg gg g

    (3.93)

    7 2y u u= +

    g

    (3.94)

    Assim, a FT igual a:

    7 2

    9 32 60

    N y u uFT

    D u y y y y

    += = =

    + + +

    g

    ggg gg g (3.95)

    Obtem-se ento a equao diferencial:

    9 32 60 7 2y y y y u u+ + + = +ggg gg g g

    (3.96)

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    19

    y

    ggg

    y

    gg

    y

    g

    y

  • 8/8/2019 Lista 3 - Soluo homegna, Particular, ...

    20/23

    QUESTO 3.b: Determine a equao diferencial relacionada a cada um dos diagramas

    de blocos:

    Resposta:

    Dado nomes a todas as entradas e sadas do sistema, escreve-se a equao de cada

    componente:

    3 x u x= g

    3u x x= +g

    3u

    px

    = + (3.99)

    4 12z x z z = gg g

    4 12x z z z = + +gg g

    2 4 12

    xp p

    z= + + (3.97)

    3 2y z z = +g 3 2

    yp

    z= + (3.98)

    Assim, a FT igual a:

    ( )2

    1 13 2

    3 4 12

    N yFT p

    D u p p p

    = = = +

    + + +

    ( )23 2

    3 4 12

    N y pFT

    D u p p p

    += = =

    + + +

    3 2

    3 2

    7 24 36

    y p

    u p p p

    +=

    + + +(3.99)

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    20

    xg

    x zgg

    zg

    z

    u yx z1

    3p + 21

    4 12p p+ +2 3p +

  • 8/8/2019 Lista 3 - Soluo homegna, Particular, ...

    21/23

    Obtem-se ento a equao diferencial:

    7 24 60 3 2y y y y u u+ + + = +ggg gg g g

    (3.100)

    QUESTO 3.c: Determine a equao diferencial relacionada a cada um dos diagramas

    de blocos:

    Resposta:

    Dado nomes a todas as entradas e sadas do sistema, escreve-se a equao de cada

    componente:

    3 x u x= g

    (3.101)

    4 12z u z z = gg g

    (3.102)

    5 3 2 y z z x= + +g

    (3.103)

    Aplicando Laplace nas equaes (3.101), (3.102) e (3.103):

    Primeira equao: 3u x x= +g

    ( ) ( ) 3 ( )U s SX s X s= + ( ) 1

    ( ) 3

    X s

    U s s=

    +(3.104)

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    21

    xg

    x

    zgg

    zg

    z

  • 8/8/2019 Lista 3 - Soluo homegna, Particular, ...

    22/23

    Segunda equao: 4 12u z z z = + +gg g

    2( ) ( ) 4 ( ) 12 ( )U s s Z s sZ s Z s= + + 2( ) 1

    ( ) 4 12

    Z s

    U s s s

    =

    + +

    (3.105)

    Terceira equao: 5 3 2 y z z x= + +g

    ( ) 5 ( ) 3 ( ) 2 ( )Y s Z s sZ s X s= + +

    ( )( ) 5 3 ( ) 2 ( )Y s s Z s X s= + +

    Substituindo as equaes (3.104) e (3.105), temos a FT, onde:

    ( )2

    1 2( ) 5 3 ( ) ( )

    4 12 3Y s s U s U s

    s s s= + +

    + + +

    2

    ( ) 5 3 2

    ( ) 4 12 3

    Y s s

    U s s s s

    += +

    + + +

    ( ) ( ) ( )( ) ( )

    2

    2

    5 3 3 2 4 12( )

    ( ) 4 12 3

    s s s sY s

    U s s s s

    + + + + +=

    + + +

    2 2

    3 2 2

    ( ) 5 15 3 9 2 8 24

    ( ) 3 4 12 12 36

    Y s s s s s s

    U s s s s s s

    + + + + + +=

    + + + + +

    2

    3 2

    ( ) 5 22 39

    ( ) 7 24 36

    Y s s s

    U s s s s

    + +=

    + + + (3.106)

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  • 8/8/2019 Lista 3 - Soluo homegna, Particular, ...

    23/23

    Logo, a transformada inversa de Laplace :

    2

    3 2

    5 22 39

    7 24 36

    y u u

    u y y y

    + +=

    + + +(3.106)

    Obtem-se ento a equao diferencial:

    7 24 36 5 22 39y y y y u u+ + + = + +ggg gg g gg g

    (3.107)

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