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)t0,510h(t)t1

El pulso x(t) = 10 para 0 ≤ t < 0.5 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−0,5tu(t). Halla la salida y(2,5) en t = 2,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)0,3125

Un tren de pulsos tiene altura 5, anchura de pulso 0,3 ms y periodo 1 ms. Halla la amplitud c2 del armónico número 2, a 2000 Hz.

A = 5τ = 0,3 msT = 1 ms
c2 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Halla f(t) para F(s) = (2s + 18)/(s² + 4s + 4) y evalúa f(0,4).

F(s) = (2s + 18)/(s² + 4s + 4)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Un sistema cumple y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t), con y(0) = 4 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 5. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 129/(s² + 6s + 43) 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) = 129/(s² + 6s + 43)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 5)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 15 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 13(s + 14)/(s(s + 4)) en ω = 4 rad/s, en grados.

G(s) = 13(s + 14)/(s(s + 4))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 3/(s(s + 2)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 3/(s(s + 2))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2.5) = 1,627

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).

Salida al final del pulso

y(0,5) = (10/0,5)(1 − e−0,25) = 4,424

Decaimiento tras el pulso

y(2,5) = 4,424·e−0,5·2 = 1,627

Respuesta

y(2,5) = 1,627
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c2 = 1,514

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 = 0,3/1 = 0,3

Amplitud del armónico

c2 = (2·5/(2π))·|sin(2π·0,3)| = 1,514

Respuesta

c2 = 1,514
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.4) = 3,415

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

Fracciones parciales

2s + 18 = 2(s + 2) + 14
F(s) = 2/(s + 2) + 14/(s + 2)²

Transformada inversa

f(t) = 2·e−2t + 14·t·e−2t
f(0,4) = (2 + 14·0,4)·e−2·0,4 = 3,415

Respuesta

f(0,4) = 3,415
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.5) = 8,858

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 + 7s + 10)·Y(s) = 4s + 28 + 150/s
Y(s) = (4s² + 28s + 150)/(s(s + 2)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 150/(2·5) = 15
B = 110/((−2)·3) = −18,33
C = 110/((−5)·(−3)) = 7,333

Resultado

y(t) = 15 − 18,33·e−2t + 7,333·e−5t
y(0,5) = 8,858

Respuesta

y(0,5) = 8,858

Comprueba: y(0) = A + B + C = 4.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,333 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 = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,557) = 0,4575

Resultado

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Respuesta

ts = 1,333 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 23,39

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 + 5s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Ganancia

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,836 rad/s
K = ωₙ² = 23,39

Respuesta

K = 23,39
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −119,1 °

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.

Suma los ángulos

∠G = atan(4/14) − 90° − atan(4/4) = 15,95° − 90° − 45°

Resultado

∠G(j4) = −119,1°

Respuesta

∠G(jω) = −119,1°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 57,64 °

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 + 4ω² − 9 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·9))/2 = 1,606
ωc = 1,267 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(1,267/2) = −122,4°
PM = 180° + ∠L = 57,64°

Respuesta

PM = 57,64°

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