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)t21h(t)t45

El pulso x(t) = 1 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 5 para 0 ≤ t < 4 s (cero en el resto). Halla la salida y(4,5) en t = 4,5 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)24810−10

Una onda triangular sube y baja linealmente entre −10 y +10 con periodo T = 4 ms. Halla la amplitud c5 de su componente de Fourier a 1250 Hz.

±10T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−62

Halla f(t) para F(s) = (3s + 20)/(s² + 6s + 18) completando el cuadrado, y evalúa f(0,4).

F(s) = (3s + 20)/(s² + 6s + 18)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−51

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 8y = 4u′ + 20u, 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 = 0,1 s. Halla g(0,1).

y″ + 6y′ + 8y = 4u′ + 20ut = 0,1 s
g(0.1) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 86/(s² + 6s + 43) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 86/(s² + 6s + 43)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 10)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 30 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 47 nFR = 2,2 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 2,2 kΩ, C = 47 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 3,1 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 2,2 kΩC = 47 nFf = 3,1 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 16/(s(s + 3)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 16/(s(s + 3)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(4.5) = 7,5

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 ∈ [0,5, 2] → longitud 1,5 s

Integral

y(4,5) = 1·5·1,5 = 7,5

Respuesta

y(4,5) = 7,5

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 10 y vuelve a 0 en t = 6 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c5 = 0,3242

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 = 250 Hz → k = 5

Amplitud

c5 = 8·10/(π²·5²) = 0,3242

Respuesta

c5 = 0,3242
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = 1,357

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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (11/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(3·cos 3t + 3,667·sin 3t)
f(0,4) = e−3·0,4·(3·cos(3·0,4) + 3,667·sin(3·0,4)) = 1,357

Respuesta

f(0,4) = 1,357
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.1) = 3,572

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) = (4s + 20)/(s² + 6s + 8)

Fracciones parciales

s² + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
A = 6, B = −2

Respuesta al impulso

g(t) = 6·e−2t − 2·e−4t
g(0,1) = 3,572

Respuesta

g(0,1) = 3,572
5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 19,86 %

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 = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,557) = 0,4575

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,616 = 19,86 %

Respuesta

%OS = 19,86 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 195,2

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) = K/(s² + 10s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Ganancia

ωₙ = 10/(2ζ) = 13,97 rad/s
K = ωₙ² = 195,2

Respuesta

K = 195,2
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 26,41 °

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/(2200·4,7 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 3100/1539 = 2,014

Fase

φ = 90° − atan(2,014) = 26,41°

Respuesta

φ = 26,41°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,243 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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4,243 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,243 rad/s

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