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−0,5tu(t). Halla la salida y(2,5) en t = 2,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ(t)y′ + 2y = 3xh(t)

Un sistema obedece y′(t) + 2·y(t) = 3·x(t). Halla su respuesta al impulso en t = 1 s, h(1).

y′ + 2y = 3xt = 1 s
h(1) =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−424

Halla f(t) para F(s) = 39/(s² + 8s + 32) completando el cuadrado, y evalúa f(0,25).

F(s) = 39/(s² + 8s + 32)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Un sistema cumple y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 1 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 27/(s² + 2s + 27) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 27/(s² + 2s + 27)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 2)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 20 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 20 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 220 ΩL = 4,7 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 220 Ω, L = 4,7 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 15 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 220 ΩL = 4,7 mHf = 15 kHz
|H| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 5/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 5/(s(s + 5))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2.5) = 1,627

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) = (10/0,5)(1 − e−0,25) = 4,424

Decaimiento tras el pulso

y(2,5) = 4,424·e−0,5·2 = 1,627

Respuesta

y(2,5) = 1,627
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h(1) = 0,406

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)|.

Función de transferencia

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 2)

Respuesta al impulso

h(t) = 3·e−2tu(t)
h(1) = 3·e−2 = 0,406

Respuesta

h(1) = 0,406
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = 3,018

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 + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Igualar el numerador

F(s) = (39/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Transformada inversa

f(t) = e−4t·(9,75·sin 4t)
f(0,25) = e−4·0,25·(9,75·sin(4·0,25)) = 3,018

Respuesta

f(0,25) = 3,018
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.1) = 0,2097

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

Y(s) = 60/(s(s + 5)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 60/(5·6) = 2
B = 60/((−5)·1) = −12
C = 60/((−6)·(−1)) = 10

Pérdidas

y(t) = 2 − 12·e−5t + 10·e−6t
y(0,1) = 0,2097

Respuesta

y(0,1) = 0,2097
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −1

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 = 27 → ωₙ = 5,196 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5,196) = 0,1925

Resultado

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Respuesta

σ = −1
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 4,81

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) = K/(s² + 2s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

Ganancia

ωₙ = 2/(2ζ) = 2,193 rad/s
K = ωₙ² = 4,81

Respuesta

K = 4,81
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −0,9575 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 = R/L = 220/0,0047 = 46809 rad/s
fc = 7450 Hz → f/fc = 15000/7450 = 2,013

Ganancia

|H| = 2,013/√(1 + 2,013²) = 0,8956
20·log₁₀(0,8956) = −0,9575 dB

Respuesta

|H| = −0,9575 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 78,9 °

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 − 25 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·25))/2 = 0,9629
ωc = 0,9813 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(0,9813/5) = −101,1°
PM = 180° + ∠L = 78,9°

Respuesta

PM = 78,9°

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