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)t1

La entrada x(t) = 10·e−1tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−4tu(t). Halla la salida y(0,5) en t = 0,5 s.

x(t) = 10·e−1tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 10y = 5xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 10·y(t) = 5·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 0,05 s, h(0,05).

y′ + 10y = 5xt = 0,05 s
h(0.05) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Halla f(t) para F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 4)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,4).

F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Resuelve y″ + 10y′ + 24y = 0 con y(0) = 5 y y′(0) = 8 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,3).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 5y′(0) = 8t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 140/(s² + 9s + 70) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 140/(s² + 9s + 70)
ωn = rad/s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 800 N/mc = 13 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

Una masa m = 5 kg cuelga de un resorte k = 800 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 = 5 N. Halla el sobreimpulso porcentual %OS del desplazamiento.

m = 5 kgk = 800 N/mc = 13 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 504/((s + 6)(s + 14)) en ω = 30 rad/s, en dB.

G(s) = 504/((s + 6)(s + 14))ω = 30 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)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 72,5/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 72,5/(s(s + 5))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.5) = 1,571

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).

Integral de convolución

y(t) = 10e−4t∫₀ᵗ e−(1 − 4)τ dτ = 10(e−4t − e−1t)/(−3)

Evalúa

y(0,5) = 10·(0,1353 − 0,6065)/(−3) = 1,571

Respuesta

y(0,5) = 1,571
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(0.05) = 3,033

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 + 10)

Respuesta al impulso

h(t) = 5·e−10tu(t)
h(0,05) = 5·e−0,5 = 3,033

Respuesta

h(0,05) = 3,033
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = 1,336

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 40/(3·4) = 3,333
B = 40/((−3)·1) = −13,33
C = 40/((−4)·(−1)) = 10

Transformada inversa

f(t) = 3,333 − 13,33·e−3t + 10·e−4t

Evalúa

f(0,4) = 3,333 − 13,33·e−3·0,4 + 10·e−4·0,4 = 1,336

Respuesta

f(0,4) = 1,336
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.3) = 3,409

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 − 5s − 8 + 10(sY − 5) + 24Y = 0
Y(s) = (5s + 58)/((s + 4)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 38/2 = 19
B = 28/(−2) = −14

Resultado

y(t) = 19·e−4t − 14·e−6t
y(0,3) = 3,409

Respuesta

y(0,3) = 3,409

Comprueba: y(0) = A + B = 5.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 8,367 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 = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,367) = 0,5379

Resultado

ωₙ = 8,367 rad/s

Respuesta

ωn = 8,367 rad/s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 72,28 %

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) = √(800/5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(800·5)) = 0,1028

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72,28 %

Respuesta

%OS = 72,28 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = −6,062 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(j30)| = 504/(√(30² + 6²)·√(30² + 14²)) = 504/(30,59·33,11) = 0,4976

Resultado

20·log₁₀(0,4976) = −6,062 dB

Respuesta

|G(jω)| = −6,062 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 32,61 °

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 + 25ω² − 5256 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·5256))/2 = 61,07
ωc = 7,815 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(7,815/5) = −147,4°
PM = 180° + ∠L = 32,61°

Respuesta

PM = 32,61°

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