Señales y sistemas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Convolución y sistemas LTI

Convolución discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolución continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longitud y suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inicio, final y área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Escalón sobre e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primer orden
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursión de primer orden
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide a través de h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la serie de Fourier
cuadrada ±A: 4A/(kπ), k impar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k impar; tren de pulsos: A·D y (2A/(kπ))|sin kπD|

Método

  1. Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
  2. Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
  3. Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
  4. Comprueba el resultado: la salida empieza en la suma de los instantes iniciales, termina en la suma de los instantes finales, y su área o suma es el producto de las áreas o sumas de las entradas.

2Problemas de práctica

1.Convolución y sistemas LTIMedia
x(t)t15h(t)t22

El pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 1 s se convoluciona con h(t), un triángulo que baja linealmente de 2 en t = 0 a 0 en t = 2 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 2, h(2) = 0
Ay =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]3+h[n]0,9·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,9·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[5] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,9y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

F(s) = (6s + 40)/(s² + 7s + 10). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (6s + 40)/(s² + 7s + 10)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Resuelve y″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = −10 y y′(0) = −15 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,4).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −10y′(0) = −15t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 24/(s² + 4s + 48) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 24/(s² + 4s + 48)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
+−10 VR = 41 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 41 Ω, L = 50 mH y C = 4,7 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la frecuencia natural no amortiguada ωn en rad/s.

R = 41 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFV = 10 V
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 100 mHC = 10 µFR = 5 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 5 Ω, con L = 100 mH y C = 10 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 5 ΩL = 100 mHC = 10 µF
f0 = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 82/(s(s + 3)(s + 9)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 82/(s(s + 3)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ay = 10

Convolución continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Invierte h, desplázala hasta la posición t e integra el producto de las partes que se solapan. Para señales causales la integral va de 0 a t. Resultados útiles: el área de y es el área de x por el área de h; si x dura de t₁ a t₂ y h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) y un escalón de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Áreas de las entradas

∫x dt = 5·1 = 5
∫h dt = ½·2·2 = 2

Área de la salida

Ay = 5·2 = 10

Respuesta

Ay = 10
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[5] = 1,771

Respuesta al impulso y serie de Fourier: la respuesta al impulso h(t) describe por completo un sistema LTI: para y′ + a·y = b·x es h(t) = b·e−atu(t), y para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] es h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt pasa con ganancia |H(jω)| y fase ∠H(jω), donde H es la transformada de Fourier de h. Una señal periódica es una suma de armónicos a k/T: una onda cuadrada de ±A tiene solo armónicos impares con amplitudes 4A/(kπ), una onda triangular de pico A tiene 8A/(π²k²), y un tren de pulsos de altura A y ciclo de trabajo D tiene el valor medio A·D y los armónicos (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Itera

h[0] = 3
h[1] = 2,7
h[2] = 2,43
h[3] = 2,187
h[4] = 1,968
h[5] = 1,771

Resultado

h[5] = 3·(0,9)5 = 1,771

Respuesta

h[5] = 1,771
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 9,333

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 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), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Factoriza el denominador

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

Regla del tapado

Multiplica por (s + 2) y haz s = −2: el término de B se anula.

A = (6s + 40)/(s + 5) |s = −2 = 28/3 = 9,333

Respuesta

A = 9,333
(B = −3,333, así que f(t) = 9,333·e−2t − 3,333·e−5t)
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.4) = −9,678

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 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), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transforma la ecuación

s²Y − (−10)s − (−15) + 5(sY − (−10)) + 6Y = 0
Y(s) = (−10s − 65)/((s + 2)(s + 3))

Fracciones parciales

A = −45/1 = −45
B = −35/(−1) = 35

Resultado

y(t) = −45·e−2t + 35·e−3t
y(0,4) = −9,678

Respuesta

y(0,4) = −9,678

Comprueba: y(0) = A + B = −10.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 38,78 %

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,928) = 0,2887

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,9472 = 38,78 %

Respuesta

%OS = 38,78 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 2063 rad/s

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (41/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,05) = 0,1988

Resultado

ωₙ = 2063 rad/s

Respuesta

ωn = 2063 rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 159,2 Hz

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Frecuencia de resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 159,2 Hz

Respuesta

f0 = 159,2 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 5,196 rad/s

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Cruce de fase

(ω/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Respuesta

ω180 = 5,196 rad/s

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