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)t0,51

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−2tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 10·u(t). Halla la salida y(0,5) en t = 0,5 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
u[n]2+y[n]0,5·z⁻¹+

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

y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−412

Halla f(t) para F(s) = 6/(s² + 8s + 20) completando el cuadrado, y evalúa f(0,4).

F(s) = 6/(s² + 8s + 20)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−2−4−6−8−10

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 7y′ + 12y = u′ + 10u, 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 = 0,4 s. Halla g(0,4).

y″ + 7y′ + 12y = u′ + 10ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 30/(s² + 7s + 30) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 30/(s² + 7s + 30)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+195s(s + 16)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 195/(s(s + 16)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 195/(s(s + 16))
ts = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 10 kΩC = 1 nFvout​

El filtro paso bajo RC mostrado tiene R = 10 kΩ, C = 1 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 64 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 10 kΩC = 1 nFf = 64 kHz
|H| = dB
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) = 76/(s(s + 4)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 76/(s(s + 4)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.5) = 3,161

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) = 10·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (10/2)·(1 − e−2t)

Evalúa

y(0,5) = 5·(1 − e−1) = 3,161

Respuesta

y(0,5) = 3,161
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y[5] = 3,938

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] = 2
y[1] = 3
y[2] = 3,5
y[3] = 3,75
y[4] = 3,875
y[5] = 3,938

Resultado

y[5] = 2·(1 − (0,5)6)/(1 − 0,5) = 3,938

Respuesta

y[5] = 3,938
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = 0,4345

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 + 8s + 20 = (s + 4)² + 4 = (s + 4)² + 2²

Igualar el numerador

F(s) = (6/2)·2/((s + 4)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(3·sin 2t)
f(0,4) = e−4·0,4·(3·sin(2·0,4)) = 0,4345

Respuesta

f(0,4) = 0,4345
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.4) = 0,897

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 + 10)/(s² + 7s + 12)

Fracciones parciales

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 7, B = −6

Respuesta al impulso

g(t) = 7·e−3t − 6·e−4t
g(0,4) = 0,897

Respuesta

g(0,4) = 0,897
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −3,5

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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,477) = 0,639

Resultado

σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5

Respuesta

σ = −3,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 0,5 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) = 195/(s² + 16s + 195): ωₙ = 13,96 rad/s, ζ = 0,5729

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,5 s

Respuesta

ts = 0,5 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: |H| = −12,35 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.

Frecuencia de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁹) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 64000/15915 = 4,021

Ganancia

|H| = 1/√(1 + 4,021²) = 0,2413
20·log₁₀(0,2413) = −12,35 dB

Respuesta

|H| = −12,35 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,899 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 fase

(ω/4)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(4·6) = 4,899 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,899 rad/s

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