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)t12h(t)t25

El pulso x(t) = 2 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 5 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto). Halla la salida y(2,5) en t = 2,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 2 st = 2,5 s
y(2.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]2+h[n]0,5·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,5·y[n − 1] + 2·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[4] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[4] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = (6s + 31)/(s² + 10s + 25) y evalúa f(0,2).

F(s) = (6s + 31)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t), con y(0) = 2 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 5. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,5).

y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 40/(s² + 10s + 40) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 40/(s² + 10s + 40)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+165s(s + 8)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 165/(s(s + 8)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 165/(s(s + 8))
ts = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 1 µFR = 20 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 20 mH y C = 1 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 1 µF
Q =
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (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 + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 9))GM = 20 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2.5) = 5

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 ∈ [0,5, 1] → longitud 0,5 s

Integral

y(2,5) = 2·5·0,5 = 5

Respuesta

y(2,5) = 5

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 10 y vuelve a 0 en t = 3 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[4] = 0,125

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] = 2
h[1] = 1
h[2] = 0,5
h[3] = 0,25
h[4] = 0,125

Resultado

h[4] = 2·(0,5)4 = 0,125

Respuesta

h[4] = 0,125
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 2,281

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).

Factoriza el denominador

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

Fracciones parciales

6s + 31 = 6(s + 5) + 1
F(s) = 6/(s + 5) + 1/(s + 5)²

Transformada inversa

f(t) = 6·e−5t + t·e−5t
f(0,2) = (6 + 1·0,2)·e−5·0,2 = 2,281

Respuesta

f(0,2) = 2,281
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.5) = 8,167

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 + 5s + 6)·Y(s) = 2s + 10 + 120/s
Y(s) = (2s² + 10s + 120)/(s(s + 2)(s + 3))

Fracciones parciales

A = 120/(2·3) = 20
B = 108/((−2)·1) = −54
C = 108/((−3)·(−1)) = 36

Resultado

y(t) = 20 − 54·e−2t + 36·e−3t
y(0,5) = 8,167

Respuesta

y(0,5) = 8,167

Comprueba: y(0) = A + B + C = 2.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 1,732 %

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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,056 = 1,732 %

Respuesta

%OS = 1,732 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 165/(s² + 8s + 165): ωₙ = 12,85 rad/s, ζ = 0,3114

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Respuesta

ts = 1 s

Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.

7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 7,071

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/√(0,02·1 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1125 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 7071/1000 = 7,071

Respuesta

Q = 7,071
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 9

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/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

Ganancia necesaria

90/K = 1020/20 = 10
K = 90/10 = 9

Respuesta

K = 9

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