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)t25h(t)t12

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 2 s y t = 5 s, y h(t) solo entre t = 1 s y t = 2 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 5 sh: 1 … 2 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]3+h[n]0,8·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,8·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[2] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,8y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

Halla f(t) para F(s) = (3s + 40)/(s² + 2s + 5) completando el cuadrado, y evalúa f(1).

F(s) = (3s + 40)/(s² + 2s + 5)t = 1 s
f(1) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 5y = 0 con y(0) = 6 y y′(0) = −9 usando la transformada de Laplace, y halla y(1,2).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 6y′(0) = −9t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 33/(s² + 3s + 66) 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) = 33/(s² + 3s + 66)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 57 Ω, L = 200 mH y C = 10 µF se conecta a un escalón de 5 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.

R = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 5 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 50 mHC = 0,22 µFR = 100 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 100 Ω, con L = 50 mH y C = 0,22 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 100 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 10 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 10 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 4 s

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).

Inicio y final

tstart = 2 + 1 = 3 s
tend = 5 + 2 = 7 s

Respuesta

D = 4 s

Respuesta

D = 4 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[2] = 1,92

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)|.

Itera

h[0] = 3
h[1] = 2,4
h[2] = 1,92

Resultado

h[2] = 3·(0,8)2 = 1,92

Respuesta

h[2] = 1,92
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(1) = 5,729

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 + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Igualar el numerador

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (37/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−t·(3·cos 2t + 18,5·sin 2t)
f(1) = e−1·(3·cos(2·1) + 18,5·sin(2·1)) = 5,729

Respuesta

f(1) = 5,729
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(1.2) = 1,583

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 − 6s − (−9) + 6(sY − 6) + 5Y = 0
Y(s) = (6s + 27)/((s + 1)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 21/4 = 5,25
B = −3/(−4) = 0,75

Resultado

y(t) = 5,25·e−t + 0,75·e−5t
y(1,2) = 1,583

Respuesta

y(1,2) = 1,583

Comprueba: y(0) = A + B = 6.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 2,667 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 = 66 → ωₙ = 8,124 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,124) = 0,1846

Resultado

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Respuesta

ts = 2,667 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 52,39 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,2015

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,39 %

Respuesta

%OS = 52,39 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 1517 Hz

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/√(0,05·2,2 × 10⁻⁷) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

Respuesta

f0 = 1517 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 22,77

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/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

Ganancia necesaria

72/K = 1010/20 = 3,162
K = 72/3,162 = 22,77

Respuesta

K = 22,77

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