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)t11h(t)t32

El pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 2 para 0 ≤ t < 3 s (cero en el resto). Halla la salida y(3) en t = 3 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 3 s
y(3) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]4+h[n]0,9·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,9·y[n − 1] + 4·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[3] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 2f(2) = ?

Halla f(t) para F(s) = (3s + 21)/(s² + 2s + 1) y evalúa f(2).

F(s) = (3s + 21)/(s² + 2s + 1)t = 2 s
f(2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 13y = u′ + 13u, 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 = 0,1 s. Halla g(0,1).

y″ + 6y′ + 13y = u′ + 13ut = 0,1 s
g(0.1) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 16/(s² + 4s + 16) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 16/(s² + 4s + 16)
ζ =
6.Respuesta al escalónDifícil
+−24 VR = 45 ΩL = 500 mHC = 10 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 45 Ω, L = 500 mH y C = 10 µF se conecta a un escalón de 24 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la frecuencia natural no amortiguada ωn en rad/s.

R = 45 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 2 mHC = 1 µFR = 20 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 2 mH y C = 1 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.

R = 20 ΩL = 2 mHC = 1 µF
BW = 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) = 22/(s(s + 3)(s + 7)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 22/(s(s + 3)(s + 7))
GM = dB

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(3) = 2

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] → longitud 1 s

Integral

y(3) = 1·2·1 = 2

Respuesta

y(3) = 2

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 2 y vuelve a 0 en t = 4 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[3] = 2,916

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] = 4
h[1] = 3,6
h[2] = 3,24
h[3] = 2,916

Resultado

h[3] = 4·(0,9)3 = 2,916

Respuesta

h[3] = 2,916
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(2) = 5,278

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

Fracciones parciales

3s + 21 = 3(s + 1) + 18
F(s) = 3/(s + 1) + 18/(s + 1)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−t + 18·t·e−t
f(2) = (3 + 18·2)·e−2 = 5,278

Respuesta

f(2) = 5,278
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.1) = 1,462

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) = (s + 13)/(s² + 6s + 13)

Fracciones parciales

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 2²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (10/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−3t·(cos 2t + 5·sin 2t)
g(0,1) = 1,462

Respuesta

g(0,1) = 1,462
5.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,5

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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4) = 0,5

Resultado

ζ = 0,5

Respuesta

ζ = 0,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 447,2 rad/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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·1 × 10⁻⁵) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,5) = 0,1006

Resultado

ωₙ = 447,2 rad/s

Respuesta

ωn = 447,2 rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: BW = 1592 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/√(0,002·1 × 10⁻⁶) = 22361 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3559 Hz

Ancho de banda

BW = R/L = 20/0,002 = 10000 rad/s = 1592 Hz

Respuesta

BW = 1592 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 19,6 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.

Cruce de fase

(ω/3)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(3·7) = 4,583 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 49)) = K/(3·7·(3 + 7)) = K/210

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(210/22) = 19,6 dB

Respuesta

GM = 19,6 dB

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