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)t−11h(t)t24

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = −1 s y t = 1 s, y h(t) solo entre t = 2 s y t = 4 s. Halla el instante tstart en que empieza y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −1 … 1 sh: 2 … 4 s
tstart = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
δ[n]3+h[n]0,4·z⁻¹+

Un sistema obedece y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] y parte del reposo. Halla la muestra h[3] de su respuesta al impulso.

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Halla f(t) para F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 3)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,25).

F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−61

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 8y′ + 12y = 18u, 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 = 0,3 s. Halla g(0,3).

y″ + 8y′ + 12y = 18ut = 0,3 s
g(0.3) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 55/(s² + 4s + 55) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 55/(s² + 4s + 55)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 4)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 20 %.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 20 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 10 Ω, con L = 20 mH y C = 4,7 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (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) = 120/(s(s + 10)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 120/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: tstart = 1 s

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).

Inicio y final

tstart = −1 + 2 = 1 s
tend = 1 + 4 = 5 s

Respuesta

tstart = 1 s

Respuesta

tstart = 1 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: h[3] = 0,192

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] = 1,2
h[2] = 0,48
h[3] = 0,192

Resultado

h[3] = 3·(0,4)3 = 0,192

Respuesta

h[3] = 0,192
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = 0,73

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 + 2) + C/(s + 3)
A = 35/(2·3) = 5,833
B = 35/((−2)·1) = −17,5
C = 35/((−3)·(−1)) = 11,67

Transformada inversa

f(t) = 5,833 − 17,5·e−2t + 11,67·e−3t

Evalúa

f(0,25) = 5,833 − 17,5·e−2·0,25 + 11,67·e−3·0,25 = 0,73

Respuesta

f(0,25) = 0,73
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(0.3) = 1,726

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) = 18/(s² + 8s + 12)

Fracciones parciales

s² + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
A = 4,5, B = −4,5

Respuesta al impulso

g(t) = 4,5·e−2t − 4,5·e−6t
g(0,3) = 1,726

Respuesta

g(0,3) = 1,726
5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 41,49 %

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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,416) = 0,2697

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8798 = 41,49 %

Respuesta

%OS = 41,49 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 19,24

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 + 4s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

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

Ganancia

ωₙ = 4/(2ζ) = 4,386 rad/s
K = ωₙ² = 19,24

Respuesta

K = 19,24
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: BW = 79,58 Hz

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 resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz

Ancho de banda

BW = R/L = 10/0,02 = 500 rad/s = 79,58 Hz

Respuesta

BW = 79,58 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 8,944 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 + 100ω² − 14400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·14400))/2 = 80
ωc = 8,944 rad/s

Respuesta

ωc = 8,944 rad/s

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