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)t03h(t)t−11

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 0 s y t = 3 s, y h(t) solo entre t = −1 s y t = 1 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 3 sh: −1 … 1 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)310204

Un tren de pulsos tiene altura 4, anchura de pulso 3 ms y periodo 10 ms. Halla la amplitud c1 del armónico número 1, a 100 Hz.

A = 4τ = 3 msT = 10 ms
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−55

Halla f(t) para F(s) = (3s + 17)/(s² + 4s + 40) completando el cuadrado, y evalúa f(0,6).

F(s) = (3s + 17)/(s² + 4s + 40)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−22

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 4y′ + 13y = 14u, 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 = 0,2 s. Halla g(0,2).

y″ + 4y′ + 13y = 14ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 8/(s² + 2s + 4) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 8/(s² + 2s + 4)
tp = s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 100 N/mc = 4 N·s/mm = 4 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 4 kg cuelga de un resorte k = 100 N/m con un amortiguador viscoso c = 4 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 100 N. Halla el sobreimpulso porcentual %OS del desplazamiento.

m = 4 kgk = 100 N/mc = 4 N·s/mF = 100 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 10 Ω, con L = 10 mH y C = 4,7 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 4,7 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 + 5)(s + 7)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 7))GM = 3 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 5 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 = 0 + (−1) = −1 s
tend = 3 + 1 = 4 s

Respuesta

D = 5 s

Respuesta

D = 5 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c1 = 2,06

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)|.

Ciclo de trabajo

D = 3/10 = 0,3

Amplitud del armónico

c1 = (2·4/(1π))·|sin(1π·0,3)| = 2,06

Respuesta

c1 = 2,06
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.6) = −1,055

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 + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Igualar el numerador

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (11/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(3·cos 6t + 1,833·sin 6t)
f(0,6) = e−2·0,6·(3·cos(6·0,6) + 1,833·sin(6·0,6)) = −1,055

Respuesta

f(0,6) = −1,055
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.2) = 1,766

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) = 14/(s² + 4s + 13)

Fracciones parciales

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = (14/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−2t·(4,667·sin 3t)
g(0,2) = 1,766

Respuesta

g(0,2) = 1,766
5.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 1,814 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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2) = 0,5

Resultado

ωd = 2·√(1 − 0,5²) = 1,732 rad/s → tp = π/ωd = 1,814 s

Respuesta

tp = 1,814 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 72,92 %

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 = √(k/m) = √(100/4) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(100·4)) = 0,1

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72,92 %

Respuesta

%OS = 72,92 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 734,1 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/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz

Respuesta

f0 = 734,1 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 297,3

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/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Ganancia necesaria

420/K = 103/20 = 1,413
K = 420/1,413 = 297,3

Respuesta

K = 297,3

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