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)t10h(t)t0,251

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−4tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 10·u(t). Halla la salida y(0,5) en t = 0,5 s.

h(t) = e−4tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
5cos(60t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 5·cos(60t) se aplica a un sistema con h(t) = 10·e−20tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(60t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−62

Halla f(t) para F(s) = (2s + 12)/(s² + 6s + 18) completando el cuadrado, y evalúa f(0,6).

F(s) = (2s + 12)/(s² + 6s + 18)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Resuelve y″ + 7y′ + 6y = 0 con y(0) = 1 y y′(0) = 2 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,6).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 2t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 171/(s² + 9s + 57) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 171/(s² + 9s + 57)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
+−10 VR = 181 ΩL = 500 mHC = 22 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 181 Ω, L = 500 mH y C = 22 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.

R = 181 ΩL = 500 mHC = 22 µFV = 10 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 100 mHR = 470 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 470 Ω, L = 100 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 2,2 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 470 ΩL = 100 mHf = 2,2 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 3 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.5) = 2,162

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).

Convolución con un escalón

y(t) = 10·∫₀ᵗ e−4τ dτ = (10/4)·(1 − e−4t)

Evalúa

y(0,5) = 2,5·(1 − e−2) = 2,162

Respuesta

y(0,5) = 2,162
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 0,7906

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) = 10/(20 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j60)| = 10/√(20² + 60²) = 0,1581
Ym = 5·0,1581 = 0,7906

Respuesta

Ym = 0,7906
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.6) = 0,2468

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 + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (6/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(2·cos 3t + 2·sin 3t)
f(0,6) = e−3·0,6·(2·cos(3·0,6) + 2·sin(3·0,6)) = 0,2468

Respuesta

f(0,6) = 0,2468
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.6) = 0,8617

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 − 1s − 2 + 7(sY − 1) + 6Y = 0
Y(s) = (s + 9)/((s + 1)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 8/5 = 1,6
B = 3/(−5) = −0,6

Resultado

y(t) = 1,6·e−t − 0,6·e−6t
y(0,6) = 0,8617

Respuesta

y(0,6) = 0,8617

Comprueba: y(0) = A + B = 1.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −4,5

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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,55) = 0,596

Resultado

σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5

Respuesta

σ = −4,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 9,46 %

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/√(0,5·2,2 × 10⁻⁵) = 301,5 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (181/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,5) = 0,6003

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,46 %

Respuesta

%OS = 9,46 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −9,845 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.

Frecuencia de corte

ωc = R/L = 470/0,1 = 4700 rad/s
fc = 748 Hz → f/fc = 2200/748 = 2,941

Ganancia

|H| = 1/√(1 + 2,941²) = 0,3219
20·log₁₀(0,3219) = −9,845 dB

Respuesta

|H| = −9,845 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 475,7

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 = 103/20 = 1,413
K = 672/1,413 = 475,7

Respuesta

K = 475,7

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