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)t1h(t)t1

La entrada x(t) = 1·e−2tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−5tu(t). Halla la salida y(1,5) en t = 1,5 s.

x(t) = 1·e−2tu(t)h(t) = e−5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(4t)h(t) = 5e−2t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(4t) se aplica a un sistema con h(t) = 5·e−2tu(t). Halla la amplitud Ym de la salida en régimen permanente.

h(t) = 5e−2tu(t)x(t) = 2cos(4t)
Ym =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−42

Halla f(t) para F(s) = (2s + 4)/(s² + 8s + 25) completando el cuadrado, y evalúa f(0,25).

F(s) = (2s + 4)/(s² + 8s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Resuelve y″ + 6y′ + 5y = 0 con y(0) = 2 y y′(0) = 10 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,8).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 2y′(0) = 10t = 0,8 s
y(0.8) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 196/(s² + 13s + 98) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 196/(s² + 13s + 98)
ζ =
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 5000 N/mc = 67 N·s/mm = 10 kgF = 10 Nx(t)

Una masa m = 10 kg cuelga de un resorte k = 5000 N/m con un amortiguador viscoso c = 67 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 10 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 10 kgk = 5000 N/mc = 67 N·s/mF = 10 N
ζ =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 47 kΩC = 4,7 nFvout​

El filtro paso bajo RC mostrado tiene R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 2,9 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 2,9 kHz
φ = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 160/(s(s + 8)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 160/(s(s + 8))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(1.5) = 0,01641

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) = 1e−5t∫₀ᵗ e−(2 − 5)τ dτ = 1(e−5t − e−2t)/(−3)

Evalúa

y(1,5) = 1·(0,0005531 − 0,04979)/(−3) = 0,01641

Respuesta

y(1,5) = 0,01641
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: Ym = 2,236

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)|.

Respuesta en frecuencia

H(jω) = 5/(2 + jω)

Ganancia a la frecuencia de entrada

|H(j4)| = 5/√(2² + 4²) = 1,118
Ym = 2·1,118 = 2,236

Respuesta

Ym = 2,236
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = 0,204

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).

Completar el cuadrado

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (−4/3)·3/((s + 4)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(2·cos 3t − 1,333·sin 3t)
f(0,25) = e−4·0,25·(2·cos(3·0,25) − 1,333·sin(3·0,25)) = 0,204

Respuesta

f(0,25) = 0,204
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.8) = 2,192

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 − 2s − 10 + 6(sY − 2) + 5Y = 0
Y(s) = (2s + 22)/((s + 1)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 20/4 = 5
B = 12/(−4) = −3

Resultado

y(t) = 5·e−t − 3·e−5t
y(0,8) = 2,192

Respuesta

y(0,8) = 2,192

Comprueba: y(0) = A + B = 2.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,6566

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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,899) = 0,6566

Resultado

ζ = 0,6566

Respuesta

ζ = 0,6566
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,1498

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 = √(k/m) = √(5000/10) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 67/(2·√(5000·10)) = 0,1498

Resultado

ζ = 0,1498

Respuesta

ζ = 0,1498
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −76,05 °

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 corte

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2900/720,5 = 4,025

Fase

φ = − atan(4,025) = −76,05°

Respuesta

φ = −76,05°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 34,93 °

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 + 64ω² − 25600 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·25600))/2 = 131,2
ωc = 11,45 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(11,45/8) = −145,1°
PM = 180° + ∠L = 34,93°

Respuesta

PM = 34,93°

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