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)t0,54h(t)t1

El pulso x(t) = 4 para 0 ≤ t < 0.5 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Halla la salida y(1) en t = 1 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(10t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(10t) se aplica a un sistema con h(t) = 5·e−5tu(t). Halla la fase φ de la salida en régimen permanente respecto a la entrada, en grados.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 2cos(10t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = (4s + 5)/(s² + 10s + 25) y evalúa f(0,2).

F(s) = (4s + 5)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 5 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(1,2).

y″ + 5y′ + 4y = 4·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 60/(s² + 2s + 60) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 60/(s² + 2s + 60)
ωn = rad/s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 200 N/mc = 13 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

Una masa m = 2,5 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 10 N. Halla el mayor desplazamiento xmax en mm.

m = 2,5 kgk = 200 N/mc = 13 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 5 mHC = 0,47 µFR = 5 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 5 Ω, con L = 5 mH y C = 0,47 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 5 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
Q =
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: y(1) = 0,9546

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(0,5) = (4/1)(1 − e−0,5) = 1,574

Decaimiento tras el pulso

y(1) = 1,574·e−1·0,5 = 0,9546

Respuesta

y(1) = 0,9546
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: φ = −63,43 °

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) = 5/(5 + jω)

Fase a la frecuencia de entrada

φ = −atan(10/5) = −63,43°

Respuesta

φ = −63,43°
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 0,3679

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Fracciones parciales

4s + 5 = 4(s + 5) + −15
F(s) = 4/(s + 5) − 15/(s + 5)²

Transformada inversa

f(t) = 4·e−5t − 15·t·e−5t
f(0,2) = (4 − 15·0,2)·e−5·0,2 = 0,3679

Respuesta

f(0,2) = 0,3679
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(1.2) = 3,006

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

Y(s) = 20/(s(s + 1)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 20/(1·4) = 5
B = 20/((−1)·3) = −6,667
C = 20/((−4)·(−3)) = 1,667

Pérdidas

y(t) = 5 − 6,667·e−t + 1,667·e−4t
y(1,2) = 3,006

Respuesta

y(1,2) = 3,006
5.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 7,746 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).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,746) = 0,1291

Resultado

ωₙ = 7,746 rad/s

Respuesta

ωn = 7,746 rad/s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: xmax = 69,25 mm

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 = √(k/m) = √(200/2,5) = 8,944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(200·2,5)) = 0,2907

Resultado

xst = F/k = 10/200 m = 50 mm
%OS = 38,5 %
xmax = 50·(1 + 0,385) = 69,25 mm

Respuesta

xmax = 69,25 mm
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 20,63

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/√(0,005·4,7 × 10⁻⁷) = 20628 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3283 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 5/0,005 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 20628/1000 = 20,63

Respuesta

Q = 20,63
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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