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)t01h(t)t13

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 0 s y t = 1 s, y h(t) solo entre t = 1 s y t = 3 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 1 sh: 1 … 3 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 5y = 5xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 5·y(t) = 5·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 1 s, h(1).

y′ + 5y = 5xt = 1 s
h(1) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Halla f(t) para F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 6)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,5).

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t), con y(0) = 2 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,8).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 282/(s² + 13s + 94) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 282/(s² + 13s + 94)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)18 %

Un sistema de segundo orden sin ceros debe tener una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 8 %. Halla la razón de amortiguamiento ζ.

%OS = 8 %
ζ =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 1000 ΩL = 100 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 1000 Ω, L = 100 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 4,8 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 1000 ΩL = 100 mHf = 4,8 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 78/(s(s + 4)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 78/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 3 s

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).

Inicio y final

tstart = 0 + 1 = 1 s
tend = 1 + 3 = 4 s

Respuesta

D = 3 s

Respuesta

D = 3 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(1) = 0,03369

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) = 5/(s + 5)

Respuesta al impulso

h(t) = 5·e−5tu(t)
h(1) = 5·e−5 = 0,03369

Respuesta

h(1) = 0,03369
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.5) = 0,4702

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 = 10/(1·6) = 1,667
B = 10/((−1)·5) = −2
C = 10/((−6)·(−5)) = 0,3333

Transformada inversa

f(t) = 1,667 − 2·e−t + 0,3333·e−6t

Evalúa

f(0,5) = 1,667 − 2·e−0,5 + 0,3333·e−6·0,5 = 0,4702

Respuesta

f(0,5) = 0,4702
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.8) = 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).

Transforma la ecuación

(s² + 5s + 4)·Y(s) = 2s + 10 + 8/s
Y(s) = (2s² + 10s + 8)/(s(s + 1)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 8/(1·4) = 2
B = 0/((−1)·3) = 0
C = 0/((−4)·(−3)) = 0

Resultado

y(t) = 2
y(0,8) = 2

Respuesta

y(0,8) = 2

Comprueba: y(0) = A + B + C = 2.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 5,851 %

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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,695) = 0,6704

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,839 = 5,851 %

Respuesta

%OS = 5,851 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,6266

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(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

Respuesta

ζ = 0,6266
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 18,34 °

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.

Frecuencia de corte

ωc = R/L = 1000/0,1 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Fase

φ = 90° − atan(3,016) = 18,34°

Respuesta

φ = 18,34°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 8,391 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.

Cruce de ganancia

ω⁴ + 16ω² − 6084 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·6084))/2 = 70,41
ωc = 8,391 rad/s

Respuesta

ωc = 8,391 rad/s

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