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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) = 10 para 0 ≤ t < 2 s se convoluciona con h(t), un triángulo que baja linealmente de 3 en t = 0 a 0 en t = 4 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un sistema obedece y[n] = 0,8·y[n − 1] + 2·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[5].
y[n] = 0,8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (2s + 4)/(s² + 8s + 16) y evalúa f(0,2).
F(s) = (2s + 4)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Resuelve y″ + 10y′ + 24y = 0 con y(0) = −8 y y′(0) = −8 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,2).
y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = −8y′(0) = −8t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 5,5/(s² + 5s + 11) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 5,5/(s² + 5s + 11)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 220/(s(s + 10)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 220/(s(s + 10))
ts = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 47 Ω, L = 47 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 480 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.
R = 47 ΩL = 47 mHf = 480 Hz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 6))
ω180 = rad/s
3Disoluciones
1.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: Ay = 120
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).
Áreas de las entradas
∫x dt = 10·2 = 20
∫h dt = ½·4·3 = 6
Área de la salida
Ay = 20·6 = 120
Respuesta
Ay = 120
2.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y[5] = 7,379
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
y[0] = 2
y[1] = 3,6
y[2] = 4,88
y[3] = 5,904
y[4] = 6,723
y[5] = 7,379
Resultado
y[5] = 2·(1 − (0,8)6)/(1 − 0,8) = 7,379
Respuesta
y[5] = 7,379
3.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.2) = 0,5392
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).
Factoriza el denominador
s² + 8s + 16 = (s + 4)²
Fracciones parciales
2s + 4 = 2(s + 4) + −4
F(s) = 2/(s + 4) − 4/(s + 4)²
Transformada inversa
f(t) = 2·e−4t − 4·t·e−4t
f(0,2) = (2 − 4·0,2)·e−4·0,2 = 0,5392
Respuesta
f(0,2) = 0,5392
4.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.2) = −6,557
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) + 10(sY − (−8)) + 24Y = 0
Y(s) = (−8s − 88)/((s + 4)(s + 6))
Fracciones parciales
A = −56/2 = −28
B = −40/(−2) = 20
Resultado
y(t) = −28·e−4t + 20·e−6t
y(0,2) = −6,557
Respuesta
y(0,2) = −6,557
Comprueba: y(0) = A + B = −8.
5.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 2,722 %
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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,317) = 0,7538
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,604 = 2,722 %
Respuesta
%OS = 2,722 %
6.Respuesta al escalón
Respuesta: ts = 0,8 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).
Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.
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 = 47/0,047 = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 480/159,2 = 3,016
Fase
φ = − atan(3,016) = −71,66°
Respuesta
φ = −71,66°
8.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 2,449 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.