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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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−1tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−2tu(t). Halla la salida y(0,5) en t = 0,5 s.

x(t) = 1·e−1tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)0,8485

Un tren de pulsos tiene altura 5, anchura de pulso 0,8 ms y periodo 4 ms. Halla la amplitud c1 del armónico número 1, a 250 Hz.

A = 5τ = 0,8 msT = 4 ms
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 9) y evalúa f(0,2).

F(s) = (5s + 4)/(s² + 6s + 9)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 12y = 0 con y(0) = −9 y y′(0) = −10 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,6).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −9y′(0) = −10t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 111/(s² + 9s + 37) 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) = 111/(s² + 9s + 37)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+45s(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 45/(s(s + 2)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 45/(s(s + 2))
ts = s
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 1820/((s + 10)(s + 14)) en ω = 2 rad/s, en dB.

G(s) = 1820/((s + 10)(s + 14))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 3)(s + 6)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))GM = 8 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(0.5) = 0,2387

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

Evalúa

y(0,5) = 1·(0,3679 − 0,6065)/(−1) = 0,2387

Respuesta

y(0,5) = 0,2387
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c1 = 1,871

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)|.

Ciclo de trabajo

D = 0,8/4 = 0,2

Amplitud del armónico

c1 = (2·5/(1π))·|sin(1π·0,2)| = 1,871

Respuesta

c1 = 1,871
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 1,537

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 + 9 = (s + 3)²

Fracciones parciales

5s + 4 = 5(s + 3) + −11
F(s) = 5/(s + 3) − 11/(s + 3)²

Transformada inversa

f(t) = 5·e−3t − 11·t·e−3t
f(0,2) = (5 − 11·0,2)·e−3·0,2 = 1,537

Respuesta

f(0,2) = 1,537
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.6) = −4,628

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 − (−9)s − (−10) + 8(sY − (−9)) + 12Y = 0
Y(s) = (−9s − 82)/((s + 2)(s + 6))

Fracciones parciales

A = −64/4 = −16
B = −28/(−4) = 7

Resultado

y(t) = −16·e−2t + 7·e−6t
y(0,6) = −4,628

Respuesta

y(0,6) = −4,628

Comprueba: y(0) = A + B = −9.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 0,8889 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 = 37 → ωₙ = 6,083 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,083) = 0,7398

Resultado

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Respuesta

ts = 0,8889 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 4 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 45/(s² + 2s + 45): ωₙ = 6,708 rad/s, ζ = 0,1491

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Respuesta

ts = 4 s

Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.

7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 22,02 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.

Multiplica los módulos

|G(j2)| = 1820/(√(2² + 10²)·√(2² + 14²)) = 1820/(10,2·14,14) = 12,62

Resultado

20·log₁₀(12,62) = 22,02 dB

Respuesta

|G(jω)| = 22,02 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 64,49

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.

Cruce de fase

(ω/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4,243 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 36)) = K/(3·6·(3 + 6)) = K/162

Ganancia necesaria

162/K = 108/20 = 2,512
K = 162/2,512 = 64,49

Respuesta

K = 64,49

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems