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)t2h(t)t0,251

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−4tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 2·u(t). Halla la salida y(0,125) en t = 0,125 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 0,125 s
y(0.125) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
10cos(7,5t)h(t) = 2e−5t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 10·cos(7,5t) se aplica a un sistema con h(t) = 2·e−5tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 2e−5tu(t)x(t) = 10cos(7,5t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (3s + 21)/(s² + 13s + 40). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (3s + 21)/(s² + 13s + 40)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 3y′ + 2y = 4·u(t), con y(0) = 3 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 2. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,25).

y″ + 3y′ + 2y = 4·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 16/(s² + 6s + 32) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 16/(s² + 6s + 32)
tp = s
6.Respuesta al escalónDifícil
+−12 VR = 39 ΩL = 200 mHC = 47 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 39 Ω, L = 200 mH y C = 47 µF se conecta a un escalón de 12 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 39 ΩL = 200 mHC = 47 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 2,2 nFR = 2,2 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 2,2 kΩ, C = 2,2 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 6,6 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 2,2 kΩC = 2,2 nFf = 6,6 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 12,8/(s(s + 4)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 12,8/(s(s + 4))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.125) = 0,1967

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).

Convolución con un escalón

y(t) = 2·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (2/4)·(1 − e−4t)

Evalúa

y(0,125) = 0,5·(1 − e−0,5) = 0,1967

Respuesta

y(0,125) = 0,1967
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 2,219

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) = 2/(5 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j7,5)| = 2/√(5² + 7,5²) = 0,2219
Ym = 10·0,2219 = 2,219

Respuesta

Ym = 2,219
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 2

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Regla del tapado

Multiplica por (s + 5) y haz s = −5: el término de B se anula.

A = (3s + 21)/(s + 8) |s = −5 = 6/3 = 2

Respuesta

A = 2
(B = 1, así que f(t) = 2·e−5t + e−8t)
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 3,049

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

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 3s + 9 + 8/s
Y(s) = (3s² + 9s + 8)/(s(s + 1)(s + 2))

Fracciones parciales

A = 8/(1·2) = 4
B = 2/((−1)·1) = −2
C = 2/((−2)·(−1)) = 1

Resultado

y(t) = 4 − 2·e−t + e−2t
y(0,25) = 3,049

Respuesta

y(0,25) = 3,049

Comprueba: y(0) = A + B + C = 3.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,6551 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).

Compara con la forma estándar

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

ωₙ² = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,657) = 0,5303

Resultado

ωd = 5,657·√(1 − 0,5303²) = 4,796 rad/s → tp = π/ωd = 0,6551 s

Respuesta

tp = 0,6551 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 16,49 V

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/√(0,2·4,7 × 10⁻⁵) = 326,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (39/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,2) = 0,2989

Resultado

%OS = 37,38 %
vC,max = 12·(1 + 0,3738) = 16,49 V

Respuesta

vC,max = 16,49 V
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −14,12 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.

Frecuencia de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·2,2 × 10⁻⁹) = 206612 rad/s
fc = 32883 Hz → f/fc = 6600/32883 = 0,2007

Ganancia

|H| = 0,2007/√(1 + 0,2007²) = 0,1968
20·log₁₀(0,1968) = −14,12 dB

Respuesta

|H| = −14,12 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 56,34 °

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 + 16ω² − 163,8 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·163,8))/2 = 7,094
ωc = 2,664 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,664/4) = −123,7°
PM = 180° + ∠L = 56,34°

Respuesta

PM = 56,34°

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