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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
Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
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
El pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 3 para 0 ≤ t < 4 s (cero en el resto). Halla la salida y(2) en t = 2 s.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 2 s
y(2) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
La entrada x(t) = 10·cos(30t) se aplica a un sistema con h(t) = 2·e−10tu(t). Halla la fase φ de la salida en régimen permanente respecto a la entrada, en grados.
h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 6)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,4).
F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 4y′ + 8y = 5u, 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″ + 4y′ + 8y = 5ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 11,5/(s² + 5s + 23) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 11,5/(s² + 5s + 23)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 50 %, y el primer pico ocurre en t = 0,2 s. Halla la frecuencia natural ωn.
%OS = 50 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 100 mH y C = 0,47 µF. Halla el factor de calidad Q.
R = 20 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF
Q =
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 260/(s(s + 5)(s + 8)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 260/(s(s + 5)(s + 8))
ω180 = rad/s
3Disoluciones
1.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(2) = 3
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).
Solapamiento del pulso invertido
h(t − τ) es el pulso de h invertido y desplazado de modo que termina en τ = t.
τ ∈ [0, 1] → longitud 1 s
Integral
y(2) = 1·3·1 = 3
Respuesta
y(2) = 3
y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 3 y vuelve a 0 en t = 5 s.
2.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: φ = −71,57 °
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/(10 + jω)
Fase a la frecuencia de entrada
φ = −atan(30/10) = −71,57°
Respuesta
φ = −71,57°
3.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.4) = 1,959
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 + 1) + C/(s + 6)
A = 55/(1·6) = 9,167
B = 55/((−1)·5) = −11
C = 55/((−6)·(−5)) = 1,833
Transformada inversa
f(t) = 9,167 − 11·e−t + 1,833·e−6t
Evalúa
f(0,4) = 9,167 − 11·e−0,4 + 1,833·e−6·0,4 = 1,959
Respuesta
f(0,4) = 1,959
4.Transformadas de Laplace
Respuesta: g(0.2) = 0,6526
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) = 5/(s² + 4s + 8)
Fracciones parciales
s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2²
G(s) = (5/2)·2/((s + 2)² + 2²)
Respuesta al impulso
g(t) = e−2t·(2,5·sin 2t)
g(0,2) = 0,6526
Respuesta
g(0,2) = 0,6526
5.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 14,67 %
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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,796) = 0,5213
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,919 = 14,67 %
Respuesta
%OS = 14,67 %
6.Respuesta al escalón
Respuesta: ωn = 16,09 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).
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/√(0,1·4,7 × 10⁻⁷) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz
Factor de calidad
BW = R/L = 20/0,1 = 200 rad/s = 31,83 Hz
Q = ω₀/BW = 4613/200 = 23,06
Respuesta
Q = 23,06
8.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 6,325 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.