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)t2h(t)t1

La entrada x(t) = 2·e−4tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−2tu(t). Halla la salida y(1) en t = 1 s.

x(t) = 2·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)2482

Una onda cuadrada conmuta entre 2 y 0 con periodo T = 4 ms (medio periodo en cada nivel). Halla la amplitud c5 de su componente de Fourier a 1250 Hz.

0 … 2T = 4 msf = 1250 Hz
c5 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

F(s) = (2s + 27)/(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) = (2s + 27)/(s² + 6s + 8)
A =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Un sistema cumple y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t), con y(0) = 1 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,4).

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 20,5/(s² + 6s + 41) 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) = 20,5/(s² + 6s + 41)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
+−12 VR = 28 ΩL = 20 mHC = 1 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 28 Ω, L = 20 mH y C = 1 µF se conecta a un escalón de 12 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.

R = 28 ΩL = 20 mHC = 1 µFV = 12 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 1 mHC = 0,47 µFR = 20 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 1 mH y C = 0,47 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.

R = 20 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF
BW = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(1) = 0,117

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).

Integral de convolución

y(t) = 2e−2t∫₀ᵗ e−(4 − 2)τ dτ = 2(e−2t − e−4t)/(2)

Evalúa

y(1) = 2·(0,1353 − 0,01832)/(2) = 0,117

Respuesta

y(1) = 0,117
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c5 = 0,2546

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 = 1250/250 = 5

Amplitud

c5 = 4·1/(5π) = 0,2546

Respuesta

c5 = 0,2546
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 11,5

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 = (2s + 27)/(s + 4) |s = −2 = 23/2 = 11,5

Respuesta

A = 11,5
(B = −9,5, así que f(t) = 11,5·e−2t − 9,5·e−4t)
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.4) = 1,435

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 + 4s + 3)·Y(s) = 1s + 4 + 12/s
Y(s) = (s² + 4s + 12)/(s(s + 1)(s + 3))

Fracciones parciales

A = 12/(1·3) = 4
B = 9/((−1)·2) = −4,5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1,5

Resultado

y(t) = 4 − 4,5·e−t + 1,5·e−3t
y(0,4) = 1,435

Respuesta

y(0,4) = 1,435

Comprueba: y(0) = A + B + C = 1.

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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,403) = 0,4685

Resultado

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Respuesta

ts = 1,333 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 73,16 %

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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (28/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,02) = 0,09899

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 73,16 %

Respuesta

%OS = 73,16 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: BW = 3183 Hz

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/√(0,001·4,7 × 10⁻⁷) = 46127 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7341 Hz

Ancho de banda

BW = R/L = 20/0,001 = 20000 rad/s = 3183 Hz

Respuesta

BW = 3183 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 972,3

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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

Ganancia necesaria

1224/K = 102/20 = 1,259
K = 1224/1,259 = 972,3

Respuesta

K = 972,3

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