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
Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
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
El pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 3 para 0 ≤ t < 4 s (cero en el resto). Halla la salida y(1,5) en t = 1,5 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
Una onda triangular sube y baja linealmente entre −10 y +10 con periodo T = 2 ms. Halla la amplitud c1 de su componente de Fourier a 500 Hz.
±10T = 2 msf = 500 Hz
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = 60/(s(s + 4)(s + 5)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,1).
F(s) = 60/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 9y′ + 20y = 80·u(t), con y(0) = 6 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 4. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,3).
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 17,5/(s² + 2s + 35) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.
G(s) = 17,5/(s² + 2s + 35)
tp = s
6.Respuesta al escalónDifícil
Un circuito RLC serie con R = 179 Ω, L = 50 mH y C = 1 µF se conecta a un escalón de 12 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.
R = 179 ΩL = 50 mHC = 1 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 1 Ω, con L = 10 mH y C = 10 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.
R = 1 ΩL = 10 mHC = 10 µF
BW = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 276/(s(s + 3)(s + 10)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 276/(s(s + 3)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Disoluciones
1.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(1.5) = 9
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).
Solapamiento del pulso invertido
h(t − τ) es el pulso de h invertido y desplazado de modo que termina en τ = t.
τ ∈ [0, 1,5] → longitud 1,5 s
Integral
y(1,5) = 2·3·1,5 = 9
Respuesta
y(1,5) = 9
y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 12 y vuelve a 0 en t = 6 s.
2.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: c1 = 8,106
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 = 500 Hz → k = 1
Amplitud
c1 = 8·10/(π²·1²) = 8,106
Respuesta
c1 = 8,106
3.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.1) = 0,2236
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 + 4) + C/(s + 5)
A = 60/(4·5) = 3
B = 60/((−4)·1) = −15
C = 60/((−5)·(−1)) = 12
Transformada inversa
f(t) = 3 − 15·e−4t + 12·e−5t
Evalúa
f(0,1) = 3 − 15·e−4·0,1 + 12·e−5·0,1 = 0,2236
Respuesta
f(0,1) = 0,2236
4.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.3) = 9,865
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
(s² + 9s + 20)·Y(s) = 6s + 54 + 320/s
Y(s) = (6s² + 54s + 320)/(s(s + 4)(s + 5))
Fracciones parciales
A = 320/(4·5) = 16
B = 200/((−4)·1) = −50
C = 200/((−5)·(−1)) = 40
Resultado
y(t) = 16 − 50·e−4t + 40·e−5t
y(0,3) = 9,865
Respuesta
y(0,3) = 9,865
Comprueba: y(0) = A + B + C = 6.
5.Respuesta al escalón
Respuesta: tp = 0,5388 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.
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).
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 resonancia
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz
Ancho de banda
BW = R/L = 1/0,01 = 100 rad/s = 15,92 Hz
Respuesta
BW = 15,92 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 5,477 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.