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)t45h(t)t24

El pulso x(t) = 5 para 0 ≤ t < 4 s se convoluciona con h(t), un triángulo que baja linealmente de 4 en t = 0 a 0 en t = 2 s. Halla el área Ay bajo y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 2y = 3xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 2·y(t) = 3·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 2y = 3xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm5

Halla f(t) para F(s) = (3s + 5)/(s² + 8s + 52) completando el cuadrado, y evalúa f(0,3).

F(s) = (3s + 5)/(s² + 8s + 52)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Un sistema cumple y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), con y(0) = 2 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,75).

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 124/(s² + 6s + 62) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 124/(s² + 6s + 62)
ωn = rad/s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 2000 N/mc = 76 N·s/mm = 8 kgF = 10 Nx(t)

Una masa m = 8 kg cuelga de un resorte k = 2000 N/m con un amortiguador viscoso c = 76 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 10 N. Halla el sobreimpulso porcentual %OS del desplazamiento.

m = 8 kgk = 2000 N/mc = 76 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 100 mHC = 4,7 µFR = 20 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 100 mH y C = 4,7 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 20 ΩL = 100 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 + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 12 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ay = 80

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).

Áreas de las entradas

∫x dt = 5·4 = 20
∫h dt = ½·2·4 = 4

Área de la salida

Ay = 20·4 = 80

Respuesta

Ay = 80
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(0.1) = 2,456

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)|.

Función de transferencia

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 2)

Respuesta al impulso

h(t) = 3·e−2tu(t)
h(0,1) = 3·e−0,2 = 2,456

Respuesta

h(0,1) = 2,456
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.3) = −0,5475

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 + 8s + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

Igualar el numerador

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 6²) + (−7/6)·6/((s + 4)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(3·cos 6t − 1,167·sin 6t)
f(0,3) = e−4·0,3·(3·cos(6·0,3) − 1,167·sin(6·0,3)) = −0,5475

Respuesta

f(0,3) = −0,5475
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.75) = 1,585

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 + 6s + 5)·Y(s) = 2s + 12 + 5/s
Y(s) = (2s² + 12s + 5)/(s(s + 1)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 5/(1·5) = 1
B = −5/((−1)·4) = 1,25
C = −5/((−5)·(−4)) = −0,25

Resultado

y(t) = 1 + 1,25·e−t − 0,25·e−5t
y(0,75) = 1,585

Respuesta

y(0,75) = 1,585

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

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 7,874 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).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 62 → ωₙ = 7,874 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7,874) = 0,381

Resultado

ωₙ = 7,874 rad/s

Respuesta

ωn = 7,874 rad/s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 37,18 %

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) = √(2000/8) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 76/(2·√(2000·8)) = 0,3004

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,18 %

Respuesta

%OS = 37,18 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 232,2 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/√(0,1·4,7 × 10⁻⁶) = 1459 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 232,2 Hz

Respuesta

f0 = 232,2 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 158,2

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/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Ganancia necesaria

630/K = 1012/20 = 3,981
K = 630/3,981 = 158,2

Respuesta

K = 158,2

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