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)t10h(t)t1

La entrada x(t) = 10·e−3tu(t) se aplica a un sistema con h(t) = e−4tu(t). Halla la salida y(2) en t = 2 s.

x(t) = 10·e−3tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
x(t)t (ms)1020401−1

Una onda triangular sube y baja linealmente entre −1 y +1 con periodo T = 20 ms. Halla la amplitud c5 de su componente de Fourier a 250 Hz.

±1T = 20 msf = 250 Hz
c5 =
3.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Halla f(t) para F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 4)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,5).

F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Resuelve y″ + 8y′ + 15y = 0 con y(0) = 10 y y′(0) = 12 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 10y′(0) = 12t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 19,5/(s² + 6s + 39) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 19,5/(s² + 6s + 39)
ts = s
6.Respuesta al escalónDifícil
k = 200 N/mc = 23 N·s/mm = 4 kgF = 50 Nx(t)

Una masa m = 4 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 23 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 50 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 4 kgk = 200 N/mc = 23 N·s/mF = 50 N
ζ =
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 10 µFR = 1 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 1 Ω, con L = 20 mH y C = 10 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 1 ΩL = 20 mHC = 10 µF
f0 = Hz
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 3 dB
K =

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: y(2) = 0,02143

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).

Integral de convolución

y(t) = 10e−4t∫₀ᵗ e−(3 − 4)τ dτ = 10(e−4t − e−3t)/(−1)

Evalúa

y(2) = 10·(0,0003355 − 0,002479)/(−1) = 0,02143

Respuesta

y(2) = 0,02143
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: c5 = 0,03242

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 = 5

Amplitud

c5 = 8·1/(π²·5²) = 0,03242

Respuesta

c5 = 0,03242
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.5) = 1,498

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 35/(3·4) = 2,917
B = 35/((−3)·1) = −11,67
C = 35/((−4)·(−1)) = 8,75

Transformada inversa

f(t) = 2,917 − 11,67·e−3t + 8,75·e−4t

Evalúa

f(0,5) = 2,917 − 11,67·e−3·0,5 + 8,75·e−4·0,5 = 1,498

Respuesta

f(0,5) = 1,498
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 8,627

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

s²Y − 10s − 12 + 8(sY − 10) + 15Y = 0
Y(s) = (10s + 92)/((s + 3)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 62/2 = 31
B = 42/(−2) = −21

Resultado

y(t) = 31·e−3t − 21·e−5t
y(0,25) = 8,627

Respuesta

y(0,25) = 8,627

Comprueba: y(0) = A + B = 10.

5.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,333 s

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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,245) = 0,4804

Resultado

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Respuesta

ts = 1,333 s
6.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,4066

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) = √(200/4) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 23/(2·√(200·4)) = 0,4066

Resultado

ζ = 0,4066

Respuesta

ζ = 0,4066
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 355,9 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/√(0,02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 355,9 Hz

Respuesta

f0 = 355,9 Hz
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 1211

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9,487 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

Ganancia necesaria

1710/K = 103/20 = 1,413
K = 1710/1,413 = 1211

Respuesta

K = 1211

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