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)t03h(t)t12

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = 0 s y t = 3 s, y h(t) solo entre t = 1 s y t = 2 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 0 … 3 sh: 1 … 2 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)0,31210

Un tren de pulsos tiene altura 10, anchura de pulso 0,3 ms y periodo 1 ms. Halla su componente continua (valor medio) c0.

A = 10τ = 0,3 msT = 1 ms
c0 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm5

Halla f(t) para F(s) = (5s + 3)/(s² + 4s + 40) completando el cuadrado, y evalúa f(0,25).

F(s) = (5s + 3)/(s² + 4s + 40)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t), con y(0) = 4 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 2. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 34/(s² + 7s + 34) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 34/(s² + 7s + 34)
%OS = %
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 5 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 5 %
K =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 47 kΩC = 4,7 nFvout​

El filtro paso bajo RC mostrado tiene R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 1,4 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 1,4 kHz
φ = °
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) = 12/(s(s + 1)(s + 4)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 12/(s(s + 1)(s + 4))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 4 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 = 0 + 1 = 1 s
tend = 3 + 2 = 5 s

Respuesta

D = 4 s

Respuesta

D = 4 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c0 = 3

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 = 0,3/1 = 0,3

Valor medio

c₀ = 10·0,3 = 3

Respuesta

c0 = 3
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.25) = −0,4913

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 + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Igualar el numerador

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (−7/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(5·cos 6t − 1,167·sin 6t)
f(0,25) = e−2·0,25·(5·cos(6·0,25) − 1,167·sin(6·0,25)) = −0,4913

Respuesta

f(0,25) = −0,4913
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 3,502

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

(s² + 8s + 15)·Y(s) = 4s + 32 + 30/s
Y(s) = (4s² + 32s + 30)/(s(s + 3)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 30/(3·5) = 2
B = −30/((−3)·2) = 5
C = −30/((−5)·(−2)) = −3

Resultado

y(t) = 2 + 5·e−3t − 3·e−5t
y(0,25) = 3,502

Respuesta

y(0,25) = 3,502

Comprueba: y(0) = A + B + C = 4.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 9,464 %

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 = 34 → ωₙ = 5,831 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,831) = 0,6002

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,358 = 9,464 %

Respuesta

%OS = 9,464 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 2,1

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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Ganancia

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,449 rad/s
K = ωₙ² = 2,1

Respuesta

K = 2,1
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −62,77 °

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/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 1400/720,5 = 1,943

Fase

φ = − atan(1,943) = −62,77°

Respuesta

φ = −62,77°
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 2 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 fase

(ω/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

Respuesta

ω180 = 2 rad/s

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