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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
Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
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
Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−1tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 2·u(t). Halla la salida y(6) en t = 6 s.
h(t) = e−1tu(t)x(t) = 2·u(t)t = 6 s
y(6) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
Un tren de pulsos tiene altura 1, anchura de pulso 0,5 ms y periodo 2 ms. Halla la amplitud c1 del armónico número 1, a 500 Hz.
A = 1τ = 0,5 msT = 2 ms
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
F(s) = (3s + 31)/(s² + 6s + 8). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.
F(s) = (3s + 31)/(s² + 6s + 8)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
Resuelve y″ + 5y′ + 6y = 0 con y(0) = −1 y y′(0) = −10 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,4).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −1y′(0) = −10t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 37/(s² + 13s + 74) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.
G(s) = 37/(s² + 13s + 74)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 20)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 2 %.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 2 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 2 Ω, con L = 1 mH y C = 10 µF. Halla el factor de calidad Q.
R = 2 ΩL = 1 mHC = 10 µF
Q =
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 46/(s(s + 1)(s + 9)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 46/(s(s + 1)(s + 9))
ω180 = rad/s
3Disoluciones
1.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: y(6) = 1,995
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) = 2·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (2/1)·(1 − e−1t)
Evalúa
y(6) = 2·(1 − e−6) = 1,995
Respuesta
y(6) = 1,995
2.Convolución y sistemas LTI
Respuesta: c1 = 0,4502
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 = 0,5/2 = 0,25
Amplitud del armónico
c1 = (2·1/(1π))·|sin(1π·0,25)| = 0,4502
Respuesta
c1 = 0,4502
3.Transformadas de Laplace
Respuesta: A = 12,5
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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)
Regla del tapado
Multiplica por (s + 2) y haz s = −2: el término de B se anula.
A = (3s + 31)/(s + 4) |s = −2 = 25/2 = 12,5
Respuesta
A = 12,5
(B = −9,5, así que f(t) = 12,5·e−2t − 9,5·e−4t)
4.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.4) = −2,227
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
s²Y − (−1)s − (−10) + 5(sY − (−1)) + 6Y = 0
Y(s) = (−s − 15)/((s + 2)(s + 3))
Fracciones parciales
A = −13/1 = −13
B = −12/(−1) = 12
Resultado
y(t) = −13·e−2t + 12·e−3t
y(0,4) = −2,227
Respuesta
y(0,4) = −2,227
Comprueba: y(0) = A + B = −1.
5.Respuesta al escalón
Respuesta: σ = −6,5
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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,602) = 0,7556
Resultado
σ = −ζωₙ = −13/2 = −6,5
Respuesta
σ = −6,5
6.Respuesta al escalón
Respuesta: K = 164,5
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).
Función de transferencia en lazo cerrado
T(s) = K/(s² + 20s + K)
Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso
ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797
Ganancia
ωₙ = 20/(2ζ) = 12,83 rad/s
K = ωₙ² = 164,5
Respuesta
K = 164,5
7.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: Q = 5
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 resonancia
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,001·1 × 10⁻⁵) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz
Factor de calidad
BW = R/L = 2/0,001 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 10000/2000 = 5
Respuesta
Q = 5
8.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 3 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.