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)t22h(t)t41

El pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s se convoluciona con el pulso h(t) = 1 para 0 ≤ t < 4 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(3,75t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(3,75t) se aplica a un sistema con h(t) = 10·e−5tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 2cos(3,75t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−5−10−15

Halla f(t) para F(s) = (2s + 34)/(s² + 2s + 5) completando el cuadrado, y evalúa f(0,25).

F(s) = (2s + 34)/(s² + 2s + 5)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−55

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 34y = 3u′ + 17u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,2 s. Halla g(0,2).

y″ + 6y′ + 34y = 3u′ + 17ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 58/(s² + 6s + 58) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 58/(s² + 6s + 58)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 5000 N/mc = 42 N·s/mm = 1 kgF = 20 Nx(t)

Una masa m = 1 kg cuelga de un resorte k = 5000 N/m con un amortiguador viscoso c = 42 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 20 N. Halla el sobreimpulso porcentual %OS del desplazamiento.

m = 1 kgk = 5000 N/mc = 42 N·s/mF = 20 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 1836/((s + 6)(s + 18)) en ω = 8 rad/s, en dB.

G(s) = 1836/((s + 6)(s + 18))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 6/(s(s + 1)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 6/(s(s + 1))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ay = 16

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 = 2·2 = 4
∫h dt = 1·4 = 4

Área de la salida

Ay = 4·4 = 16

Respuesta

Ay = 16
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 3,2

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)|.

Respuesta en frecuencia

H(jω) = 10/(5 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j3,75)| = 10/√(5² + 3,75²) = 1,6
Ym = 2·1,6 = 3,2

Respuesta

Ym = 3,2
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = 7,341

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).

Completar el cuadrado

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Igualar el numerador

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (32/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(2·cos 2t + 16·sin 2t)
f(0,25) = e−0,25·(2·cos(2·0,25) + 16·sin(2·0,25)) = 7,341

Respuesta

f(0,25) = 7,341
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.2) = 1,628

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).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 17)/(s² + 6s + 34)

Fracciones parciales

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 5²
G(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (8/5)·5/((s + 3)² + 5²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−3t·(3·cos 5t + 1,6·sin 5t)
g(0,2) = 1,628

Respuesta

g(0,2) = 1,628
5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 26,02 %

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 = 58 → ωₙ = 7,616 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7,616) = 0,3939

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,346 = 26,02 %

Respuesta

%OS = 26,02 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 37,64 %

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 = √(k/m) = √(5000/1) = 70,71 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 42/(2·√(5000·1)) = 0,297

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,64 %

Respuesta

%OS = 37,64 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 19,39 dB

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.

Multiplica los módulos

|G(j8)| = 1836/(√(8² + 6²)·√(8² + 18²)) = 1836/(10·19,7) = 9,321

Resultado

20·log₁₀(9,321) = 19,39 dB

Respuesta

|G(jω)| = 19,39 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 23,05 °

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 ganancia

ω⁴ + 1ω² − 36 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·36))/2 = 5,521
ωc = 2,35 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,35/1) = −156,9°
PM = 180° + ∠L = 23,05°

Respuesta

PM = 23,05°

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