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)t24h(t)t24

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 2 s y t = 4 s, y h(t) solo entre t = 2 s y t = 4 s. Halla el instante tend en que termina y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 4 sh: 2 … 4 s
tend = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
u[n]0,5+y[n]−0,8·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = −0,8·y[n − 1] + 0,5·x[n] y parte del reposo. La entrada es el escalón unitario x[n] = u[n]. Halla y[5].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Halla f(t) para F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,75).

F(s) = 55/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−5−105

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 34y = u′ + 11u, 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′ + 34y = u′ + 11ut = 0,1 s
g(0.1) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 156/(s² + 5s + 78) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 156/(s² + 5s + 78)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s12 %

La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 12 %, y el primer pico ocurre en t = 0,2 s. Halla la frecuencia natural ωn.

%OS = 12 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 20

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 31(s + 3)/(s(s + 5)) en ω = 20 rad/s, en grados.

G(s) = 31(s + 3)/(s(s + 5))ω = 20 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)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 32/(s(s + 4)(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 32/(s(s + 4)(s + 5))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: tend = 8 s

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).

Inicio y final

tstart = 2 + 2 = 4 s
tend = 4 + 4 = 8 s

Respuesta

tend = 8 s

Respuesta

tend = 8 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y[5] = 0,205

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] = 0,5
y[1] = 0,1
y[2] = 0,42
y[3] = 0,164
y[4] = 0,3688
y[5] = 0,205

Resultado

y[5] = 0,5·(1 − (−0,8)6)/(1 − (−0,8)) = 0,205

Respuesta

y[5] = 0,205
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.75) = 7,656

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).

Fracciones parciales

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 55/(1·2) = 27,5
B = 55/((−1)·1) = −55
C = 55/((−2)·(−1)) = 27,5

Transformada inversa

f(t) = 27,5 − 55·e−t + 27,5·e−2t

Evalúa

f(0,75) = 27,5 − 55·e−0,75 + 27,5·e−2·0,75 = 7,656

Respuesta

f(0,75) = 7,656
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.1) = 1,218

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 + 11)/(s² + 6s + 34)

Fracciones parciales

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 5²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (8/5)·5/((s + 3)² + 5²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−3t·(cos 5t + 1,6·sin 5t)
g(0,1) = 1,218

Respuesta

g(0,1) = 1,218
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −2,5

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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,832) = 0,2831

Resultado

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Respuesta

σ = −2,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 18,95 rad/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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Frecuencia natural

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,8289 = 18,95 rad/s

Respuesta

ωn = 18,95 rad/s
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −84,49 °

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(20/3) − 90° − atan(20/5) = 81,47° − 90° − 75,96°

Resultado

∠G(j20) = −84,49°

Respuesta

∠G(jω) = −84,49°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,472 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/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,472 rad/s

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