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)t24h(t)t1

El pulso x(t) = 4 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−2tu(t). Halla la salida y(3,5) en t = 3,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
10cos(7,5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 10·cos(7,5t) 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) = 10cos(7,5t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−42

Halla f(t) para F(s) = (4s + 16)/(s² + 2s + 10) completando el cuadrado, y evalúa f(0,75).

F(s) = (4s + 16)/(s² + 2s + 10)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Resuelve y″ + 9y′ + 20y = 0 con y(0) = −5 y y′(0) = −15 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −5y′(0) = −15t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 95/(s² + 6s + 95) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 95/(s² + 6s + 95)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 500 N/mc = 32 N·s/mm = 2 kgF = 10 Nx(t)

Una masa m = 2 kg cuelga de un resorte k = 500 N/m con un amortiguador viscoso c = 32 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 instante tp en el que el desplazamiento es máximo.

m = 2 kgk = 500 N/mc = 32 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 48/((s + 2)(s + 12)) en ω = 15 rad/s, en dB.

G(s) = 48/((s + 2)(s + 12))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 434/(s(s + 6)(s + 7)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 434/(s(s + 6)(s + 7))
GM = dB

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(3.5) = 0,09775

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(2) = (4/2)(1 − e−4) = 1,963

Decaimiento tras el pulso

y(3,5) = 1,963·e−2·1,5 = 0,09775

Respuesta

y(3,5) = 0,09775
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: φ = −56,31 °

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(7,5/5) = −56,31°

Respuesta

φ = −56,31°
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.75) = 0,2832

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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (12/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(4·cos 3t + 4·sin 3t)
f(0,75) = e−0,75·(4·cos(3·0,75) + 4·sin(3·0,75)) = 0,2832

Respuesta

f(0,75) = 0,2832
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.3) = −4,238

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 − (−5)s − (−15) + 9(sY − (−5)) + 20Y = 0
Y(s) = (−5s − 60)/((s + 4)(s + 5))

Fracciones parciales

A = −40/1 = −40
B = −35/(−1) = 35

Resultado

y(t) = −40·e−4t + 35·e−5t
y(0,3) = −4,238

Respuesta

y(0,3) = −4,238

Comprueba: y(0) = A + B = −5.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −3

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 = 95 → ωₙ = 9,747 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,747) = 0,3078

Resultado

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Respuesta

σ = −3
6.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,2304 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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = √(k/m) = √(500/2) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 32/(2·√(500·2)) = 0,506

Resultado

ωd = 13,64 rad/s
tp = π/ωd = 0,2304 s

Respuesta

tp = 0,2304 s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = −15,64 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.

Multiplica los módulos

|G(j15)| = 48/(√(15² + 2²)·√(15² + 12²)) = 48/(15,13·19,21) = 0,1651

Resultado

20·log₁₀(0,1651) = −15,64 dB

Respuesta

|G(jω)| = −15,64 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 1,994 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.

Cruce de fase

(ω/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6,481 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 49)) = K/(6·7·(6 + 7)) = K/546

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(546/434) = 1,994 dB

Respuesta

GM = 1,994 dB

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