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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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)t15h(t)t1

El pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−5tu(t). Halla la salida y(2,5) en t = 2,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]2+h[n]−0,5·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = −0,5·y[n − 1] + 2·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[4] de su respuesta al impulso.

y[n] = −0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Halla f(t) para F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 4)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,6).

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 10 y y′(0) = −5 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,5).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 10y′(0) = −5t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 210/(s² + 4s + 70) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 210/(s² + 4s + 70)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
+−10 VR = 57 ΩL = 500 mHC = 100 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 57 Ω, L = 500 mH y C = 100 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 57 ΩL = 500 mHC = 100 µFV = 10 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 2

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = (s + 15)/(s(s + 16)) en ω = 2 rad/s, en grados.

G(s) = (s + 15)/(s(s + 16))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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 + 6)(s + 8)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 2 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2.5) = 0,0005494

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).

Salida al final del pulso

y(1) = (5/5)(1 − e−5) = 0,9933

Decaimiento tras el pulso

y(2,5) = 0,9933·e−5·1,5 = 0,0005494

Respuesta

y(2,5) = 0,0005494
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[4] = 0,125

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)|.

Itera

h[0] = 2
h[1] = −1
h[2] = 0,5
h[3] = −0,25
h[4] = 0,125

Resultado

h[4] = 2·(−0,5)4 = 0,125

Respuesta

h[4] = 0,125
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.6) = 1,119

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 + 4)
A = 15/(1·4) = 3,75
B = 15/((−1)·3) = −5
C = 15/((−4)·(−3)) = 1,25

Transformada inversa

f(t) = 3,75 − 5·e−t + 1,25·e−4t

Evalúa

f(0,6) = 3,75 − 5·e−0,6 + 1,25·e−4·0,6 = 1,119

Respuesta

f(0,6) = 1,119
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.5) = 5,423

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 − 10s − (−5) + 6(sY − 10) + 8Y = 0
Y(s) = (10s + 55)/((s + 2)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 35/2 = 17,5
B = 15/(−2) = −7,5

Resultado

y(t) = 17,5·e−2t − 7,5·e−4t
y(0,5) = 5,423

Respuesta

y(0,5) = 5,423

Comprueba: y(0) = A + B = 10.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 46,14 %

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 = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,367) = 0,239

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,7734 = 46,14 %

Respuesta

%OS = 46,14 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 12,51 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/√(0,5·1 × 10⁻⁴) = 141,4 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,5) = 0,4031

Resultado

%OS = 25,07 %
vC,max = 10·(1 + 0,2507) = 12,51 V

Respuesta

vC,max = 12,51 V
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −89,53 °

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.

Suma los ángulos

∠G = atan(2/15) − 90° − atan(2/16) = 7,595° − 90° − 7,125°

Resultado

∠G(j2) = −89,53°

Respuesta

∠G(jω) = −89,53°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 533,8

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/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6,928 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

Ganancia necesaria

672/K = 102/20 = 1,259
K = 672/1,259 = 533,8

Respuesta

K = 533,8

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems