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)t14h(t)t22

El pulso x(t) = 4 para 0 ≤ t < 1 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 2 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto). Halla la salida y(2) en t = 2 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 2 st = 2 s
y(2) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)410201

Un tren de pulsos tiene altura 1, anchura de pulso 4 ms y periodo 10 ms. Halla la amplitud c2 del armónico número 2, a 200 Hz.

A = 1τ = 4 msT = 10 ms
c2 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (6s + 10)/(s² + 13s + 42). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (6s + 10)/(s² + 13s + 42)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 4y′ + 3y = u′ + 13u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,75 s. Halla g(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = u′ + 13ut = 0,75 s
g(0.75) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 114/(s² + 3s + 57) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 114/(s² + 3s + 57)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 800 N/mc = 27 N·s/mm = 2,5 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 2,5 kg cuelga de un resorte k = 800 N/m con un amortiguador viscoso c = 27 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 mayor desplazamiento xmax en mm.

m = 2,5 kgk = 800 N/mc = 27 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 3,3 kΩC = 4,7 nFvout​

El filtro paso bajo RC mostrado tiene R = 3,3 kΩ, C = 4,7 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 2,6 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 3,3 kΩC = 4,7 nFf = 2,6 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 320/(s(s + 10)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 320/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2) = 8

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).

Solapamiento del pulso invertido

h(t − τ) es el pulso de h invertido y desplazado de modo que termina en τ = t.

τ ∈ [0, 1] → longitud 1 s

Integral

y(2) = 4·2·1 = 8

Respuesta

y(2) = 8

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 8 y vuelve a 0 en t = 3 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c2 = 0,1871

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)|.

Ciclo de trabajo

D = 4/10 = 0,4

Amplitud del armónico

c2 = (2·1/(2π))·|sin(2π·0,4)| = 0,1871

Respuesta

c2 = 0,1871
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = −26

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 + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

Regla del tapado

Multiplica por (s + 6) y haz s = −6: el término de B se anula.

A = (6s + 10)/(s + 7) |s = −6 = −26/1 = −26

Respuesta

A = −26
(B = 32, así que f(t) = −26·e−6t + 32·e−7t)
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.75) = 2,307

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).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 13)/(s² + 4s + 3)

Fracciones parciales

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 6, B = −5

Respuesta al impulso

g(t) = 6·e−t − 5·e−3t
g(0,75) = 2,307

Respuesta

g(0,75) = 2,307
5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 2,667 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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,55) = 0,1987

Resultado

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Respuesta

ts = 2,667 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: xmax = 171,2 mm

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) = √(800/2,5) = 17,89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(800·2,5)) = 0,3019

Resultado

xst = F/k = 100/800 m = 125 mm
%OS = 36,98 %
xmax = 125·(1 + 0,3698) = 171,2 mm

Respuesta

xmax = 171,2 mm
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −14,22 °

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 = 1/(RC) = 1/(3300·4,7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 2600/10261 = 0,2534

Fase

φ = − atan(0,2534) = −14,22°

Respuesta

φ = −14,22°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 16,55 rad/s

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 + 100ω² − 102400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·102400))/2 = 273,9
ωc = 16,55 rad/s

Respuesta

ωc = 16,55 rad/s

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