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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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)t5h(t)t11

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−1tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 5·u(t). Halla la salida y(3) en t = 3 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 3 s
y(3) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
10cos(20t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 10·cos(20t) se aplica a un sistema con h(t) = 10·e−20tu(t). Halla la fase φ de la salida en régimen permanente respecto a la entrada, en grados.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 10cos(20t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm5

Halla f(t) para F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 37) completando el cuadrado, y evalúa f(1).

F(s) = (3s + 7)/(s² + 2s + 37)t = 1 s
f(1) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Resuelve y″ + 4y′ + 3y = 0 con y(0) = 10 y y′(0) = 14 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,8).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 10y′(0) = 14t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 78/(s² + 5s + 26) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 78/(s² + 5s + 26)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 5)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 25 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 25 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 294/((s + 7)(s + 14)) en ω = 1 rad/s, en dB.

G(s) = 294/((s + 7)(s + 14))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 100/(s(s + 20)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 100/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(3) = 4,751

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) = 5·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (5/1)·(1 − e−1t)

Evalúa

y(3) = 5·(1 − e−3) = 4,751

Respuesta

y(3) = 4,751
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: φ = −45 °

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)

Fase a la frecuencia de entrada

φ = −atan(20/20) = −45°

Respuesta

φ = −45°
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(1) = 0,9912

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 + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

Igualar el numerador

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (4/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(3·cos 6t + 0,6667·sin 6t)
f(1) = e−1·(3·cos(6·1) + 0,6667·sin(6·1)) = 0,9912

Respuesta

f(1) = 0,9912
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.8) = 8,797

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 − 10s − 14 + 4(sY − 10) + 3Y = 0
Y(s) = (10s + 54)/((s + 1)(s + 3))

Fracciones parciales

A = 44/2 = 22
B = 24/(−2) = −12

Resultado

y(t) = 22·e−t − 12·e−3t
y(0,8) = 8,797

Respuesta

y(0,8) = 8,797

Comprueba: y(0) = A + B = 10.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,6 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 = 26 → ωₙ = 5,099 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,099) = 0,4903

Resultado

ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Respuesta

ts = 1,6 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 38,35

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 + 5s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Ganancia

ωₙ = 5/(2ζ) = 6,193 rad/s
K = ωₙ² = 38,35

Respuesta

K = 38,35
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 9,433 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(j1)| = 294/(√(1² + 7²)·√(1² + 14²)) = 294/(7,071·14,04) = 2,962

Resultado

20·log₁₀(2,962) = 9,433 dB

Respuesta

|G(jω)| = 9,433 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 4,859 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 + 400ω² − 10000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·10000))/2 = 23,61
ωc = 4,859 rad/s

Respuesta

ωc = 4,859 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems