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)t4h(t)t21

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−0,5tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 4·u(t). Halla la salida y(6) en t = 6 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 6 s
y(6) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(6t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(6t) se aplica a un sistema con h(t) = 5·e−2tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 2cos(6t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Halla f(t) para F(s) = (s + 31)/(s² + 8s + 16) y evalúa f(0,5).

F(s) = (s + 31)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 10 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 174/(s² + 9s + 58) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 174/(s² + 9s + 58)
tp = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+220s(s + 5)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 220/(s(s + 5)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 220/(s(s + 5))
ts = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 470 ΩL = 22 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 470 Ω, L = 22 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 34 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 470 ΩL = 22 mHf = 34 kHz
φ = °
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 + 7)(s + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 9))GM = 12 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(6) = 7,602

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).

Convolución con un escalón

y(t) = 4·∫₀ᵗ e−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)

Evalúa

y(6) = 8·(1 − e−3) = 7,602

Respuesta

y(6) = 7,602
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 1,581

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) = 5/(2 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j6)| = 5/√(2² + 6²) = 0,7906
Ym = 2·0,7906 = 1,581

Respuesta

Ym = 1,581
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.5) = 1,962

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Fracciones parciales

s + 31 = 1(s + 4) + 27
F(s) = 1/(s + 4) + 27/(s + 4)²

Transformada inversa

f(t) = e−4t + 27·t·e−4t
f(0,5) = (1 + 27·0,5)·e−4·0,5 = 1,962

Respuesta

f(0,5) = 1,962
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.2) = 3,467

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) = 240/(s(s + 2)(s + 3))

Fracciones parciales

A = 240/(2·3) = 40
B = 240/((−2)·1) = −120
C = 240/((−3)·(−1)) = 80

Pérdidas

y(t) = 40 − 120·e−2t + 80·e−3t
y(0,2) = 3,467

Respuesta

y(0,2) = 3,467
5.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,5113 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 = 58 → ωₙ = 7,616 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,616) = 0,5909

Resultado

ωd = 7,616·√(1 − 0,5909²) = 6,144 rad/s → tp = π/ωd = 0,5113 s

Respuesta

tp = 0,5113 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,6 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) = 220/(s² + 5s + 220): ωₙ = 14,83 rad/s, ζ = 0,1685

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Respuesta

ts = 1,6 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: φ = 5,711 °

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 = R/L = 470/0,022 = 21364 rad/s
fc = 3400 Hz → f/fc = 34000/3400 = 10

Fase

φ = 90° − atan(10) = 5,711°

Respuesta

φ = 5,711°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 253,2

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/7)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7,937 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

Ganancia necesaria

1008/K = 1012/20 = 3,981
K = 1008/3,981 = 253,2

Respuesta

K = 253,2

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