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)t11h(t)t32

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) = 2 para 0 ≤ t < 3 s (cero en el resto). Halla la salida y(3) en t = 3 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 3 s
y(3) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 4y = 3xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 4·y(t) = 3·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 0,5 s, h(0,5).

y′ + 4y = 3xt = 0,5 s
h(0.5) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−10−12

Halla f(t) para F(s) = (s + 12)/(s² + 6s + 10) completando el cuadrado, y evalúa f(0,5).

F(s) = (s + 12)/(s² + 6s + 10)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Un sistema cumple y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t), con y(0) = 5 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,1).

y″ + 7y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 2/(s² + s + 4) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 2/(s² + s + 4)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 6)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 10 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 10 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 4

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 612/((s + 4)(s + 9)) en ω = 4 rad/s, en dB.

G(s) = 612/((s + 4)(s + 9))ω = 4 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) = 10/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 10/(s(s + 5))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(3) = 2

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(3) = 1·2·1 = 2

Respuesta

y(3) = 2

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 2 y vuelve a 0 en t = 4 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(0.5) = 0,406

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) = 3/(s + 4)

Respuesta al impulso

h(t) = 3·e−4tu(t)
h(0,5) = 3·e−2 = 0,406

Respuesta

h(0,5) = 0,406
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.5) = 1,159

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Igualar el numerador

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (9/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(cos 1t + 9·sin 1t)
f(0,5) = e−3·0,5·(cos(1·0,5) + 9·sin(1·0,5)) = 1,159

Respuesta

f(0,5) = 1,159
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.1) = 4,905

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 + 7s + 12)·Y(s) = 5s + 35 + 36/s
Y(s) = (5s² + 35s + 36)/(s(s + 3)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 36/(3·4) = 3
B = −24/((−3)·1) = 8
C = −24/((−4)·(−1)) = −6

Resultado

y(t) = 3 + 8·e−3t − 6·e−4t
y(0,1) = 4,905

Respuesta

y(0,1) = 4,905

Comprueba: y(0) = A + B + C = 5.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −0,5

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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2) = 0,25

Resultado

σ = −ζωₙ = −1/2 = −0,5

Respuesta

σ = −0,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 25,75

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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Ganancia

ωₙ = 6/(2ζ) = 5,075 rad/s
K = ωₙ² = 25,75

Respuesta

K = 25,75
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 20,82 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(j4)| = 612/(√(4² + 4²)·√(4² + 9²)) = 612/(5,657·9,849) = 10,98

Resultado

20·log₁₀(10,98) = 20,82 dB

Respuesta

|G(jω)| = 20,82 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 69,46 °

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 + 25ω² − 100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·100))/2 = 3,508
ωc = 1,873 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(1,873/5) = −110,5°
PM = 180° + ∠L = 69,46°

Respuesta

PM = 69,46°

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