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)t0,52h(t)t1

El pulso x(t) = 2 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(2) en t = 2 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)0,5122−2

Una onda triangular sube y baja linealmente entre −2 y +2 con periodo T = 1 ms. Halla la amplitud c3 de su componente de Fourier a 3000 Hz.

±2T = 1 msf = 3000 Hz
c3 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 4)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,2).

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm5

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 2y′ + 26y = 4u′ + 16u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 1,5 s. Halla g(1,5).

y″ + 2y′ + 26y = 4u′ + 16ut = 1,5 s
g(1.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 22,5/(s² + 10s + 45) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 22,5/(s² + 10s + 45)
tp = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 12)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 5 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 5 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 4,7 nFR = 1 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 1 kΩ, C = 4,7 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 17 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 1 kΩC = 4,7 nFf = 17 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 640/(s(s + 10)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 640/(s(s + 10))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2) = 0,1756

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) = (2/1)(1 − e−0,5) = 0,7869

Decaimiento tras el pulso

y(2) = 0,7869·e−1·1,5 = 0,1756

Respuesta

y(2) = 0,1756
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c3 = 0,1801

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)|.

Número de armónico

f₀ = 1/T = 1000 Hz → k = 3

Amplitud

c3 = 8·2/(π²·3²) = 0,1801

Respuesta

c3 = 0,1801
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 0,6114

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 45/(2·4) = 5,625
B = 45/((−2)·2) = −11,25
C = 45/((−4)·(−2)) = 5,625

Transformada inversa

f(t) = 5,625 − 11,25·e−2t + 5,625·e−4t

Evalúa

f(0,2) = 5,625 − 11,25·e−2·0,2 + 5,625·e−4·0,2 = 0,6114

Respuesta

f(0,2) = 0,6114
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(1.5) = 0,8117

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).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 16)/(s² + 2s + 26)

Fracciones parciales

s² + 2s + 26 = (s + 1)² + 5²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (12/5)·5/((s + 1)² + 5²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−t·(4·cos 5t + 2,4·sin 5t)
g(1,5) = 0,8117

Respuesta

g(1,5) = 0,8117
5.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,7025 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 = 45 → ωₙ = 6,708 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,708) = 0,7454

Resultado

ωd = 6,708·√(1 − 0,7454²) = 4,472 rad/s → tp = π/ωd = 0,7025 s

Respuesta

tp = 0,7025 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 75,59

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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 12s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Ganancia

ωₙ = 12/(2ζ) = 8,694 rad/s
K = ωₙ² = 75,59

Respuesta

K = 75,59
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −6,962 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 = 1/(RC) = 1/(1000·4,7 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 17000/33863 = 0,502

Ganancia

|H| = 0,502/√(1 + 0,502²) = 0,4487
20·log₁₀(0,4487) = −6,962 dB

Respuesta

|H| = −6,962 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 22,34 °

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 + 100ω² − 409600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·409600))/2 = 592
ωc = 24,33 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(24,33/10) = −157,7°
PM = 180° + ∠L = 22,34°

Respuesta

PM = 22,34°

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