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)t0,51

Un sistema tiene la respuesta al impulso h(t) = e−2tu(t). La entrada es un escalón x(t) = 1·u(t). Halla la salida y(0,1) en t = 0,1 s.

h(t) = e−2tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,1 s
y(0.1) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]3+h[n]0,5·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[3] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 1,2f(1,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 2)) por fracciones parciales, y evalúa f(1,2).

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 2))t = 1,2 s
f(1.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Resuelve y″ + 9y′ + 18y = 0 con y(0) = 9 y y′(0) = 6 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 9y′(0) = 6t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 134/(s² + 3s + 67) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 134/(s² + 3s + 67)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
+−24 VR = 268 ΩL = 50 mHC = 1 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 268 Ω, L = 50 mH y C = 1 µF se conecta a un escalón de 24 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 = 268 ΩL = 50 mHC = 1 µFV = 24 V
%OS = %
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 100 nFR = 2,2 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 2,2 kΩ, C = 100 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 180 Hz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 2,2 kΩC = 100 nFf = 180 Hz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 7,5/(s(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 7,5/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.1) = 0,09063

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) = 1·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (1/2)·(1 − e−2t)

Evalúa

y(0,1) = 0,5·(1 − e−0,2) = 0,09063

Respuesta

y(0,1) = 0,09063
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[3] = 0,375

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

h[0] = 3
h[1] = 1,5
h[2] = 0,75
h[3] = 0,375

Resultado

h[3] = 3·(0,5)3 = 0,375

Respuesta

h[3] = 0,375
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(1.2) = 8,546

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 = 35/(1·2) = 17,5
B = 35/((−1)·1) = −35
C = 35/((−2)·(−1)) = 17,5

Transformada inversa

f(t) = 17,5 − 35·e−t + 17,5·e−2t

Evalúa

f(1,2) = 17,5 − 35·e−1,2 + 17,5·e−2·1,2 = 8,546

Respuesta

f(1,2) = 8,546
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.2) = 7,663

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 − 9s − 6 + 9(sY − 9) + 18Y = 0
Y(s) = (9s + 87)/((s + 3)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 60/3 = 20
B = 33/(−3) = −11

Resultado

y(t) = 20·e−3t − 11·e−6t
y(0,2) = 7,663

Respuesta

y(0,2) = 7,663

Comprueba: y(0) = A + B = 9.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −1,5

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 = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,185) = 0,1833

Resultado

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Respuesta

σ = −1,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 9,521 %

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/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (268/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,05) = 0,5993

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,521 %

Respuesta

%OS = 9,521 %
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −12,34 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.

Frecuencia de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·1 × 10⁻⁷) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 180/723,4 = 0,2488

Ganancia

|H| = 0,2488/√(1 + 0,2488²) = 0,2415
20·log₁₀(0,2415) = −12,34 dB

Respuesta

|H| = −12,34 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 1,441 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 ganancia

ω⁴ + 25ω² − 56,25 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·56,25))/2 = 2,077
ωc = 1,441 rad/s

Respuesta

ωc = 1,441 rad/s

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