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)t2h(t)t1

La entrada x(t) = 2·e−4tu(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) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−1tu(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]0,5+h[n]0,5·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[3] de su respuesta al impulso.

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

Halla f(t) para F(s) = (3s + 19)/(s² + 2s + 1) y evalúa f(2).

F(s) = (3s + 19)/(s² + 2s + 1)t = 2 s
f(2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un sistema cumple y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t), con y(0) = 5 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 5. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,3).

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 31,5/(s² + 10s + 63) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 31,5/(s² + 10s + 63)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 28 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 28 Ω, L = 10 mH y C = 2 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 instante tp del primer pico de tensión, en ms.

R = 28 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 5 V
tp = ms
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 100 ΩL = 4,7 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 100 Ω, L = 4,7 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 6,8 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 100 ΩL = 4,7 mHf = 6,8 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 + 1)(s + 3)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))GM = 3 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.25) = 0,2739

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) = 2e−1t∫₀ᵗ e−(4 − 1)τ dτ = 2(e−1t − e−4t)/(3)

Evalúa

y(0,25) = 2·(0,7788 − 0,3679)/(3) = 0,2739

Respuesta

y(0,25) = 0,2739
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[3] = 0,0625

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

h[0] = 0,5
h[1] = 0,25
h[2] = 0,125
h[3] = 0,0625

Resultado

h[3] = 0,5·(0,5)3 = 0,0625

Respuesta

h[3] = 0,0625
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(2) = 4,737

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

3s + 19 = 3(s + 1) + 16
F(s) = 3/(s + 1) + 16/(s + 1)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−t + 16·t·e−t
f(2) = (3 + 16·2)·e−2 = 4,737

Respuesta

f(2) = 4,737
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.3) = 9,27

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 + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 360/s
Y(s) = (5s² + 50s + 360)/(s(s + 4)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 360/(4·6) = 15
B = 240/((−4)·2) = −30
C = 240/((−6)·(−2)) = 20

Resultado

y(t) = 15 − 30·e−4t + 20·e−6t
y(0,3) = 9,27

Respuesta

y(0,3) = 9,27

Comprueba: y(0) = A + B + C = 5.

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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,937) = 0,6299

Resultado

σ = −ζωₙ = −10/2 = −5

Respuesta

σ = −5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,4533 ms

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/√(0,01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (28/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,01) = 0,198

Resultado

ωd = 6931 rad/s
tp = π/ωd = 0,4533 ms

Respuesta

tp = 0,4533 ms
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 26,47 °

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 = 100/0,0047 = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 6800/3386 = 2,008

Fase

φ = 90° − atan(2,008) = 26,47°

Respuesta

φ = 26,47°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 8,495

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

Ganancia necesaria

12/K = 103/20 = 1,413
K = 12/1,413 = 8,495

Respuesta

K = 8,495

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