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)t23h(t)t35

El pulso x(t) = 3 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con la respuesta al impulso h(t) = 5 para 0 ≤ t < 3 s (cero en el resto). Halla la salida y(4,5) en t = 4,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)10204010−10

Una onda triangular sube y baja linealmente entre −10 y +10 con periodo T = 20 ms. Halla la amplitud c1 de su componente de Fourier a 50 Hz.

±10T = 20 msf = 50 Hz
c1 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−22

Halla f(t) para F(s) = (s + 2)/(s² + 6s + 18) completando el cuadrado, y evalúa f(0,3).

F(s) = (s + 2)/(s² + 6s + 18)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−224

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 25y = 4u′ + 2u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,5 s. Halla g(0,5).

y″ + 6y′ + 25y = 4u′ + 2ut = 0,5 s
g(0.5) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 5,5/(s² + 5s + 11) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 5,5/(s² + 5s + 11)
σ =
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 400 N/mc = 8 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

Una masa m = 2 kg cuelga de un resorte k = 400 N/m con un amortiguador viscoso c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 25 N. Halla el mayor desplazamiento xmax en mm.

m = 2 kgk = 400 N/mc = 8 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,1111010100100−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 5

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 34(s + 1)/(s(s + 8)) en ω = 5 rad/s, en grados.

G(s) = 34(s + 1)/(s(s + 8))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,010,010,10,1111010−40−200204060ω (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) = 1,3/(s(s + 1)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 1,3/(s(s + 1))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(4.5) = 7,5

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).

Solapamiento del pulso invertido

h(t − τ) es el pulso de h invertido y desplazado de modo que termina en τ = t.

τ ∈ [1,5, 2] → longitud 0,5 s

Integral

y(4,5) = 3·5·0,5 = 7,5

Respuesta

y(4,5) = 7,5

y(t) es un trapecio: sube desde 0, se mantiene en 30 y vuelve a 0 en t = 5 s.

2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c1 = 8,106

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 = 1

Amplitud

c1 = 8·10/(π²·1²) = 8,106

Respuesta

c1 = 8,106
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.3) = 0,1466

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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (−1/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(cos 3t − 0,3333·sin 3t)
f(0,3) = e−3·0,3·(cos(3·0,3) − 0,3333·sin(3·0,3)) = 0,1466

Respuesta

f(0,3) = 0,1466
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.5) = −0,8786

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).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 2)/(s² + 6s + 25)

Fracciones parciales

s² + 6s + 25 = (s + 3)² + 4²
G(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 4²) + (−10/4)·4/((s + 3)² + 4²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−3t·(4·cos 4t − 2,5·sin 4t)
g(0,5) = −0,8786

Respuesta

g(0,5) = −0,8786
5.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −2,5

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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,317) = 0,7538

Resultado

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Respuesta

σ = −2,5
6.Respuesta al escalón

Respuesta: xmax = 102,4 mm

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) = √(400/2) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(400·2)) = 0,1414

Resultado

xst = F/k = 25/400 m = 62,5 mm
%OS = 63,84 %
xmax = 62,5·(1 + 0,6384) = 102,4 mm

Respuesta

xmax = 102,4 mm
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −43,32 °

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.

Suma los ángulos

∠G = atan(5/1) − 90° − atan(5/8) = 78,69° − 90° − 32,01°

Resultado

∠G(j5) = −43,32°

Respuesta

∠G(jω) = −43,32°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 46,62 °

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 + 1ω² − 1,69 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·1,69))/2 = 0,8928
ωc = 0,9449 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(0,9449/1) = −133,4°
PM = 180° + ∠L = 46,62°

Respuesta

PM = 46,62°

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