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)t10h(t)t1

La entrada x(t) = 10·e−6tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−5tu(t). Halla la salida y(2) en t = 2 s.

x(t) = 10·e−6tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
u[n]3+y[n]−0,5·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[2].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Halla f(t) para F(s) = (3s + 35)/(s² + 10s + 25) y evalúa f(0,3).

F(s) = (3s + 35)/(s² + 10s + 25)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 8y = 0 con y(0) = 1 y y′(0) = 10 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = 10t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 66/(s² + 3s + 66) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 66/(s² + 3s + 66)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 113 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 113 Ω, L = 200 mH y C = 10 µF se conecta a un escalón de 5 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.

R = 113 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 5 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 10 µFR = 5 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 5 Ω, con L = 20 mH y C = 10 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.

R = 5 ΩL = 20 mHC = 10 µF
BW = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 120/(s(s + 4)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 120/(s(s + 4))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2) = 0,0003926

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) = 10e−5t∫₀ᵗ e−(6 − 5)τ dτ = 10(e−5t − e−6t)/(1)

Evalúa

y(2) = 10·(4,54 × 10⁻⁵ − 6,144 × 10⁻⁶)/(1) = 0,0003926

Respuesta

y(2) = 0,0003926
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y[2] = 2,25

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

y[0] = 3
y[1] = 1,5
y[2] = 2,25

Resultado

y[2] = 3·(1 − (−0,5)3)/(1 − (−0,5)) = 2,25

Respuesta

y[2] = 2,25
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.3) = 2,008

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Fracciones parciales

3s + 35 = 3(s + 5) + 20
F(s) = 3/(s + 5) + 20/(s + 5)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−5t + 20·t·e−5t
f(0,3) = (3 + 20·0,3)·e−5·0,3 = 2,008

Respuesta

f(0,3) = 2,008
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.4) = 1,934

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

s²Y − 1s − 10 + 6(sY − 1) + 8Y = 0
Y(s) = (s + 16)/((s + 2)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 14/2 = 7
B = 12/(−2) = −6

Resultado

y(t) = 7·e−2t − 6·e−4t
y(0,4) = 1,934

Respuesta

y(0,4) = 1,934

Comprueba: y(0) = A + B = 1.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −1,5

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 = 66 → ωₙ = 8,124 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,124) = 0,1846

Resultado

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Respuesta

σ = −1,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 25,43 %

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/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (113/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,3995

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25,43 %

Respuesta

%OS = 25,43 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: BW = 39,79 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/√(0,02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 355,9 Hz

Ancho de banda

BW = R/L = 5/0,02 = 250 rad/s = 39,79 Hz

Respuesta

BW = 39,79 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 20,68 °

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 + 16ω² − 14400 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·14400))/2 = 112,3
ωc = 10,6 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(10,6/4) = −159,3°
PM = 180° + ∠L = 20,68°

Respuesta

PM = 20,68°

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