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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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)t5h(t)t1

La entrada x(t) = 5·e−3tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−1tu(t). Halla la salida y(0,25) en t = 0,25 s.

x(t) = 5·e−3tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)1242

Una onda cuadrada conmuta entre 2 y 0 con periodo T = 2 ms (medio periodo en cada nivel). Halla la amplitud c1 de su componente de Fourier a 500 Hz.

0 … 2T = 2 msf = 500 Hz
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

Halla f(t) para F(s) = (s + 31)/(s² + 4s + 13) completando el cuadrado, y evalúa f(0,75).

F(s) = (s + 31)/(s² + 4s + 13)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Un sistema cumple y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 2 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,5).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 23,5/(s² + 10s + 47) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 23,5/(s² + 10s + 47)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 200 N/mc = 19 N·s/mm = 20 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 20 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 19 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 instante tp en el que el desplazamiento es máximo.

m = 20 kgk = 200 N/mc = 19 N·s/mF = 100 N
tp = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 10 ΩL = 2,2 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 10 Ω, L = 2,2 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 180 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 10 ΩL = 2,2 mHf = 180 Hz
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) = 122/(s(s + 4)(s + 8)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 122/(s(s + 4)(s + 8))
GM = dB

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.25) = 0,7661

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).

Integral de convolución

y(t) = 5e−1t∫₀ᵗ e−(3 − 1)τ dτ = 5(e−1t − e−3t)/(2)

Evalúa

y(0,25) = 5·(0,7788 − 0,4724)/(2) = 0,7661

Respuesta

y(0,25) = 0,7661
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c1 = 1,273

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)|.

Número de armónico

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 500/500 = 1

Amplitud

c1 = 4·1/(1π) = 1,273

Respuesta

c1 = 1,273
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.75) = 1,538

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 + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (29/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(cos 3t + 9,667·sin 3t)
f(0,75) = e−2·0,75·(cos(3·0,75) + 9,667·sin(3·0,75)) = 1,538

Respuesta

f(0,75) = 1,538
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.5) = 1,128

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) = 24/(s(s + 1)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 24/(1·6) = 4
B = 24/((−1)·5) = −4,8
C = 24/((−6)·(−5)) = 0,8

Pérdidas

y(t) = 4 − 4,8·e−t + 0,8·e−6t
y(0,5) = 1,128

Respuesta

y(0,5) = 1,128
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −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 = 47 → ωₙ = 6,856 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,856) = 0,7293

Resultado

σ = −ζωₙ = −10/2 = −5

Respuesta

σ = −5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 1,005 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 = √(k/m) = √(200/20) = 3,162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 19/(2·√(200·20)) = 0,1502

Resultado

ωd = 3,126 rad/s
tp = π/ωd = 1,005 s

Respuesta

tp = 1,005 s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 76,03 °

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 = 10/0,0022 = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 180/723,4 = 0,2488

Fase

φ = 90° − atan(0,2488) = 76,03°

Respuesta

φ = 76,03°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 9,959 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/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5,657 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(384/122) = 9,959 dB

Respuesta

GM = 9,959 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems