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)t4h(t)t21

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−0,5tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 4·u(t). Halla la salida y(4) en t = 4 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 4 s
y(4) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 5y = 2xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 5·y(t) = 2·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 5y = 2xt = 0,5 s
h(0.5) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Halla f(t) para F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 5)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,25).

F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = −8 y y′(0) = 8 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,2).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = −8y′(0) = 8t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 98/(s² + 5s + 98) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 98/(s² + 5s + 98)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 1 s10 %

La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 10 %, y el primer pico ocurre en t = 1 s. Halla la frecuencia natural ωn.

%OS = 10 %tp = 1 s
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHR = 1000 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 1000 Ω, L = 10 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 48 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 1000 ΩL = 10 mHf = 48 kHz
φ = °
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) = K/(s(s + 2)(s + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 9))GM = 3 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(4) = 6,917

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) = 4·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)

Evalúa

y(4) = 8·(1 − e−2) = 6,917

Respuesta

y(4) = 6,917
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(0.5) = 0,1642

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)|.

Función de transferencia

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 5)

Respuesta al impulso

h(t) = 2·e−5tu(t)
h(0,5) = 2·e−2,5 = 0,1642

Respuesta

h(0,5) = 0,1642
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = 0,4503

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).

Fracciones parciales

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 25/(2·5) = 2,5
B = 25/((−2)·3) = −4,167
C = 25/((−5)·(−3)) = 1,667

Transformada inversa

f(t) = 2,5 − 4,167·e−2t + 1,667·e−5t

Evalúa

f(0,25) = 2,5 − 4,167·e−2·0,25 + 1,667·e−5·0,25 = 0,4503

Respuesta

f(0,25) = 0,4503
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.2) = −5,838

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 − (−8)s − 8 + 8(sY − (−8)) + 15Y = 0
Y(s) = (−8s − 56)/((s + 3)(s + 5))

Fracciones parciales

A = −32/2 = −16
B = −16/(−2) = 8

Resultado

y(t) = −16·e−3t + 8·e−5t
y(0,2) = −5,838

Respuesta

y(0,2) = −5,838

Comprueba: y(0) = A + B = −8.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 44,05 %

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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,899) = 0,2525

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8199 = 44,05 %

Respuesta

%OS = 44,05 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 3,895 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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 2,303/√(9,87 + 5,302) = 0,5912

Frecuencia natural

ωd = π/tp = π/1 = 3,142 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,142/0,8066 = 3,895 rad/s

Respuesta

ωn = 3,895 rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −71,66 °

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 = R/L = 1000/0,01 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 48000/15915 = 3,016

Fase

φ = − atan(3,016) = −71,66°

Respuesta

φ = −71,66°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 140,2

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/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4,243 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 81)) = K/(2·9·(2 + 9)) = K/198

Ganancia necesaria

198/K = 103/20 = 1,413
K = 198/1,413 = 140,2

Respuesta

K = 140,2

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