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)t210h(t)t1

El pulso x(t) = 10 para 0 ≤ t < 2 s (cero en el resto) se aplica a un sistema con h(t) = e−2tu(t). Halla la salida y(2,5) en t = 2,5 s, cuando el pulso ya ha terminado.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 2,5 s
y(2.5) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)0,2122

Un tren de pulsos tiene altura 2, anchura de pulso 0,2 ms y periodo 1 ms. Halla la amplitud c3 del armónico número 3, a 3000 Hz.

A = 2τ = 0,2 msT = 1 ms
c3 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−102

Halla f(t) para F(s) = (4s + 39)/(s² + 4s + 13) completando el cuadrado, y evalúa f(0,75).

F(s) = (4s + 39)/(s² + 4s + 13)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−5−10−15

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 4y′ + 3y = u′ + 17u, 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 = 0,8 s. Halla g(0,8).

y″ + 4y′ + 3y = u′ + 17ut = 0,8 s
g(0.8) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 42/(s² + 3s + 21) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 42/(s² + 3s + 21)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 6 ΩL = 20 mHC = 22 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 6 Ω, L = 20 mH y C = 22 µF se conecta a un escalón de 5 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 6 ΩL = 20 mHC = 22 µFV = 5 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 100 nFR = 10 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 10 kΩ, C = 100 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 320 Hz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 10 kΩC = 100 nFf = 320 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) = 8/(s(s + 2)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 8/(s(s + 2))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2.5) = 1,806

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(2) = (10/2)(1 − e−4) = 4,908

Decaimiento tras el pulso

y(2,5) = 4,908·e−2·0,5 = 1,806

Respuesta

y(2,5) = 1,806
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c3 = 0,4036

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 = 0,2/1 = 0,2

Amplitud del armónico

c3 = (2·2/(3π))·|sin(3π·0,2)| = 0,4036

Respuesta

c3 = 0,4036
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.75) = 1,233

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 + 4s + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

Igualar el numerador

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (31/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(4·cos 3t + 10,33·sin 3t)
f(0,75) = e−2·0,75·(4·cos(3·0,75) + 10,33·sin(3·0,75)) = 1,233

Respuesta

f(0,75) = 1,233
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.8) = 2,96

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) = (s + 17)/(s² + 4s + 3)

Fracciones parciales

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 8, B = −7

Respuesta al impulso

g(t) = 8·e−t − 7·e−3t
g(0,8) = 2,96

Respuesta

g(0,8) = 2,96
5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 33,68 %

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 = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,583) = 0,3273

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,088 = 33,68 %

Respuesta

%OS = 33,68 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 8,652 V

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/√(0,02·2,2 × 10⁻⁵) = 1508 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (6/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,02) = 0,0995

Resultado

%OS = 73,04 %
vC,max = 5·(1 + 0,7304) = 8,652 V

Respuesta

vC,max = 8,652 V
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −0,9599 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/(10000·1 × 10⁻⁷) = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 320/159,2 = 2,011

Ganancia

|H| = 2,011/√(1 + 2,011²) = 0,8954
20·log₁₀(0,8954) = −0,9599 dB

Respuesta

|H| = −0,9599 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 38,67 °

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 + 4ω² − 64 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·64))/2 = 6,246
ωc = 2,499 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,499/2) = −141,3°
PM = 180° + ∠L = 38,67°

Respuesta

PM = 38,67°

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