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−1tu(t). Halla la salida y(1) en t = 1 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−1tu(t)t = 1 s
y(1) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)1020401−1

Una onda cuadrada conmuta entre +1 y −1 con periodo T = 20 ms (medio periodo en cada nivel). Halla la amplitud c3 de su componente de Fourier a 150 Hz.

±1T = 20 msf = 150 Hz
c3 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Halla f(t) para F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 5)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,3).

F(s) = 55/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t), con y(0) = 3 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 4. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,25).

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 150/(s² + 4s + 75) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 150/(s² + 4s + 75)
ωn = rad/s
6.Respuesta al escalónDifícil
+−10 VR = 100 ΩL = 20 mHC = 2 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 100 Ω, L = 20 mH y C = 2 µF se conecta a un escalón de 10 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 = 100 ΩL = 20 mHC = 2 µFV = 10 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 0,47 µFR = 100 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 100 Ω, con L = 20 mH y C = 0,47 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 100 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF
Q =
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) = 46/(s(s + 4)(s + 5)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 46/(s(s + 4)(s + 5))
GM = dB

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(1) = 2,387

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) = (10/1)(1 − e−0,5) = 3,935

Decaimiento tras el pulso

y(1) = 3,935·e−1·0,5 = 2,387

Respuesta

y(1) = 2,387
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c3 = 0,4244

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 = 50 Hz → k = 150/50 = 3

Amplitud

c3 = 4·1/(3π) = 0,4244

Respuesta

c3 = 0,4244
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.3) = 1,287

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 + 2) + C/(s + 5)
A = 55/(2·5) = 5,5
B = 55/((−2)·3) = −9,167
C = 55/((−5)·(−3)) = 3,667

Transformada inversa

f(t) = 5,5 − 9,167·e−2t + 3,667·e−5t

Evalúa

f(0,3) = 5,5 − 9,167·e−2·0,3 + 3,667·e−5·0,3 = 1,287

Respuesta

f(0,3) = 1,287
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 5,506

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 + 9s + 18)·Y(s) = 3s + 27 + 216/s
Y(s) = (3s² + 27s + 216)/(s(s + 3)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 216/(3·6) = 12
B = 162/((−3)·3) = −18
C = 162/((−6)·(−3)) = 9

Resultado

y(t) = 12 − 18·e−3t + 9·e−6t
y(0,25) = 5,506

Respuesta

y(0,25) = 5,506

Comprueba: y(0) = A + B + C = 3.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 8,66 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).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 75 → ωₙ = 8,66 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,66) = 0,2309

Resultado

ωₙ = 8,66 rad/s

Respuesta

ωn = 8,66 rad/s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 16,3 %

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/√(0,02·2 × 10⁻⁶) = 5000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (100/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,02) = 0,5

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,3 %

Respuesta

%OS = 16,3 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 2,063

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/√(0,02·4,7 × 10⁻⁷) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 100/0,02 = 5000 rad/s = 795,8 Hz
Q = ω₀/BW = 10314/5000 = 2,063

Respuesta

Q = 2,063
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 11,85 dB

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

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(180/46) = 11,85 dB

Respuesta

GM = 11,85 dB

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