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)t02h(t)t37

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 0 s y t = 2 s, y h(t) solo entre t = 3 s y t = 7 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 2 sh: 3 … 7 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(4t)h(t) = 2e−2t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(4t) se aplica a un sistema con h(t) = 2·e−2tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 2e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Halla f(t) para F(s) = (s + 34)/(s² + 2s + 1) y evalúa f(0,4).

F(s) = (s + 34)/(s² + 2s + 1)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 7y′ + 12y = 60·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 1 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 60·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 33/(s² + 6s + 33) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 33/(s² + 6s + 33)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)12 %

Un sistema de segundo orden sin ceros debe tener una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 2 %. Halla la razón de amortiguamiento ζ.

%OS = 2 %
ζ =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 2,2 nFR = 4,7 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 4,7 kΩ, C = 2,2 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 62 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 4,7 kΩC = 2,2 nFf = 62 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 1600/(s(s + 20)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 1600/(s(s + 20))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 6 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 + 3 = 3 s
tend = 2 + 7 = 9 s

Respuesta

D = 6 s

Respuesta

D = 6 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 0,8944

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)|.

Respuesta en frecuencia

H(jω) = 2/(2 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j4)| = 2/√(2² + 4²) = 0,4472
Ym = 2·0,4472 = 0,8944

Respuesta

Ym = 0,8944
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = 9,519

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

s + 34 = 1(s + 1) + 33
F(s) = 1/(s + 1) + 33/(s + 1)²

Transformada inversa

f(t) = e−t + 33·t·e−t
f(0,4) = (1 + 33·0,4)·e−0,4 = 9,519

Respuesta

f(0,4) = 9,519
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 1,071

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

Y(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 60/(3·4) = 5
B = 60/((−3)·1) = −20
C = 60/((−4)·(−1)) = 15

Pérdidas

y(t) = 5 − 20·e−3t + 15·e−4t
y(0,25) = 1,071

Respuesta

y(0,25) = 1,071
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −3

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 = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,745) = 0,5222

Resultado

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Respuesta

σ = −3
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,7797

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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Respuesta

ζ = 0,7797
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 13,94 °

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 corte

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 62000/15392 = 4,028

Fase

φ = 90° − atan(4,028) = 13,94°

Respuesta

φ = 13,94°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 28,02 °

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 ganancia

ω⁴ + 400ω² − 2,56 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2,56 × 10⁶))/2 = 1412
ωc = 37,58 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(37,58/20) = −152°
PM = 180° + ∠L = 28,02°

Respuesta

PM = 28,02°

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