Sistemas mecatrónicos: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Motores de corriente continua

Circuito del inducido
V = E + IaRa
Fuerza contraelectromotriz y par
E = k·ω, T = k·Ia
Rapidez
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidad en vacío y par de bloqueo
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potencias
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Arranque
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulación de velocidad
SR = (n0 − nFL)/nFL
Máxima potencia desarrollada
Pmax = V²/(4Ra)
Accionamiento con troceador
Va = D·Vdc

Método

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. Para potencia y rendimiento, parte de V·Ia, resta las pérdidas en el cobre Ia²·Ra y después las pérdidas rotacionales.

Engranajes y trenes de engranajes

Engranajes en contacto
n1·N1 = n2·N2
Par
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potencia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Tren compuesto
relación total = producto de las relaciones de cada etapa

Adquisición de datos y muestreo

Criterio de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frecuencia de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamaño del paso
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Error de cuantización (redondeo)
±½ LSB
Código del ADC con truncamiento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para una resolución r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide a fondo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tasa de datos
canales × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baudios; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baudios/bits por trama
Divisor de la tasa de baudios
baud = fclk/(16·D)

Método

  1. Anota los datos: frecuencia de muestreo, frecuencias de la señal, número de bits, rango de entrada, tasa de baudios.
  2. En las preguntas de muestreo, compara cada frecuencia con fs/2; una frecuencia mayor aparece en fa = |f − k·fs|, con el múltiplo de fs más cercano.
  3. En las preguntas de resolución, halla 1 LSB = VFSR/2ᴺ, o el menor N con 2ᴺ ≥ rango/resolución.
  4. En las tasas de datos y los enlaces UART, cuenta todo lo que se envía: canales, muestras por segundo, bits o bytes completos por muestra, y los bits de inicio, paridad y parada de cada trama.

Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Tensiones de los divisores
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Pérdidas
Vab = Va − Vb
Balance
R1/R2 = R3/R4
Puente de hilo
R/Rx = l/(100 − l)
Resistencia de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Factor de galga
ΔR/R = GF·ε
Salida del puente
cuarto Vs·GF·ε/4, medio Vs·GF·ε/2, completo Vs·GF·ε
Cambio pequeño, un brazo
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensión
σ = E·ε

Método

  1. Trata el puente como dos divisores de tensión sobre la misma alimentación.
  2. Para el equilibrio, iguala R₁/R₂ = R₃/R₄ y despeja la resistencia desconocida.
  3. Para un puente desequilibrado, halla Va y Vb con los divisores y resta; usa el equivalente de Thévenin cuando un medidor carga la salida.
  4. Para las galgas extensométricas, convierte la deformación en ΔR/R = GF·ε y usa Vs·GF·ε/4, /2 o ×1 para un cuarto, medio o puente completo.

Error en régimen permanente y control PID

Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
  2. Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
  3. Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
  4. Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Problemas de práctica

1.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)18 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,6 N·m/A, Ra = 1 Ω) funciona a 220 V y mueve un par de carga de 18 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 220 Vk = 0,6 N·m/ARa = 1 ΩT = 18 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 500 rpmT = 1,5 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1 Ω) desde un bus de continua de 240 V. La tensión media del inducido es D·240 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 500 rpm con una carga de 1,5 N·m.

Vdc = 240 Vk = 0,75 V·s/radRa = 1 ΩT = 1,5 N·mn = 500 rpm
D = %
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 160 mm a 720 rpm acciona una polea de 300 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 160 mmd2 = 300 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm960 rpmC = 500 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 200 mm y una polea de 300 mm cuyos centros están separados 500 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 200 mmd2 = 300 mmC = 500 mm
θ = °
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 105 V2ᴺ − 101 LSB1,121 V?

Un ADC de 10 bits con un rango de entrada de 0 a 5 V trunca: su código de salida es ⌊Vin/LSB⌋ con 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Halla el código de salida decimal D para una entrada de 1,121 V.

N = 10VFSR = 5 VVin = 1,121 V
D =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T5 mV/°C×2,5∿01N = 10, 3,3 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 5 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 2,5 veces y se aplica a un ADC de 10 bits con un rango de 0 a 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Halla la variación de temperatura ΔTLSB que corresponde a un LSB.

S = 5 mV/°CG = 2,5N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−10 VR1​ = 40 ΩR2​ = 600 ΩR3​ = 150 ΩR4​ = 50 Ωab+−Rth​ = ?

Halla la resistencia de Thévenin Rth del puente mostrado, vista desde los terminales de salida a y b.

Vs = 10 VR1 = 40 ΩR2 = 600 ΩR3 = 150 ΩR4 = 50 Ω
Rth = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−2,5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 2,5 V y tiene dos galgas activas en brazos adyacentes, una a tracción y otra a compresión (medio puente). El factor de galga es 2,05 y la deformación es de 400 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,05ε = 400 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K = 225s + 1C(s)−

Un proceso G(s) = 2/(5s + 1) se controla con una ganancia proporcional K = 2 en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess ante un escalón, como porcentaje del tamaño del escalón.

G(s) = 2/(5s + 1)K = 2
ess = %
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+20 + Kd​s5s(s + 1)C(s)−

Un controlador PD C(s) = 20 + Kd·s controla la planta G(s) = 5/(s(s + 1)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,5.

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 20ζ = 0,5
Kd = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 11/(s² + 3s + 11) 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) = 11/(s² + 3s + 11)
ts = s
12.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 1,5 s30 %

La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 30 %, y el primer pico ocurre en t = 1,5 s. Halla la frecuencia natural ωn.

%OS = 30 %tp = 1,5 s
ωn = rad/s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 3024 rpm

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Corriente de inducido

Ia = T/k = 18/0,6 = 30 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 220 − 30·1 = 190 V
ω = E/k = 316,7 rad/s → n = 3024 rpm

Respuesta

n = 3024 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 17,2 %

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Tensión de inducido necesaria

Va = 0,75·52,36 + 2·1 = 41,27 V

Ciclo de trabajo

D = 41,27/240 = 17,2 %

Respuesta

D = 17,2 %
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 378,2 rpm

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Velocidad sin deslizamiento

720·160/300 = 384 rpm

Con deslizamiento

n2 = 384·0,985 = 378,2 rpm

Respuesta

n2 = 378,2 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 168,5 °

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Ángulo de la correa

asin(0,1) = 5,739°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·5,739 = 168,5°

Respuesta

θ = 168,5°
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: D = 229

Resolución del ADC: un convertidor de N bits divide su rango de fondo de escala VFSR en 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Un paso es 1 LSB = VFSR/2ᴺ: el cambio más pequeño que puede mostrar el convertidor. Un ADC con truncamiento da el código ⌊Vin/LSB⌋; un ADC con redondeo nunca se aparta más de ½ LSB del valor real, que es su error de cuantización. Cada bit adicional reduce a la mitad el LSB y suma unos 6 dB a la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para una senoide a fondo de escala. Para alcanzar una resolución r en un rango, elige el menor N con 2ᴺ ≥ rango/r.

Tamaño del paso

1 LSB = 5/210 = 4,883 mV

Código

Vin/LSB = 1121/4,883 = 229,6
código = ⌊229,6⌋ = 229

Respuesta

D = 229

En binario es 0011100101.

6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 0,2578 °C

Resolución del ADC: un convertidor de N bits divide su rango de fondo de escala VFSR en 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Un paso es 1 LSB = VFSR/2ᴺ: el cambio más pequeño que puede mostrar el convertidor. Un ADC con truncamiento da el código ⌊Vin/LSB⌋; un ADC con redondeo nunca se aparta más de ½ LSB del valor real, que es su error de cuantización. Cada bit adicional reduce a la mitad el LSB y suma unos 6 dB a la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para una senoide a fondo de escala. Para alcanzar una resolución r en un rango, elige el menor N con 2ᴺ ≥ rango/r.

Tamaño del paso

1 LSB = 3300/1024 = 3,223 mV

Sensibilidad en el ADC

5·2,5 = 12,5 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 3,223/12,5 = 0,2578 °C

Respuesta

ΔTLSB = 0,2578 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 264 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Rth = 75 Ω

Puente de Wheatstone: dos divisores de tensión comparten una alimentación Vs. El divisor izquierdo R1–R2 da Va = Vs·R2/(R1 + R2) y el divisor derecho R3–R4 da Vb = Vs·R4/(R3 + R4); la salida es Vab = Va − Vb. El puente está equilibrado (Vab = 0, sin corriente en el medidor) cuando R1/R2 = R3/R4, es decir, R1·R4 = R2·R3. Visto desde la salida, el puente es una fuente de Thévenin con Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Alimentación en cortocircuito

R₁∥R₂ = 40·600/640 = 37,5 Ω
R₃∥R₄ = 150·50/200 = 37,5 Ω

Resistencia de Thévenin

Rth = 75 Ω

Respuesta

Rth = 75 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 1,025 mV

Galgas extensométricas: una galga cambia su resistencia con la deformación: ΔR/R = GF·ε, donde el factor de galga GF es de alrededor de 2 en las galgas de lámina metálica. En un puente con todos los brazos iguales a R, una galga activa (cuarto de puente) da Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dos galgas activas con deformaciones opuestas en brazos adyacentes (medio puente) dan Vs·GF·ε/2, y cuatro (puente completo) dan Vs·GF·ε. La tensión mecánica se obtiene de la ley de Hooke, σ = E·ε. Las células de carga indican su sensibilidad en mV/V: la salida a plena carga por cada voltio de excitación.

Cambio relativo de resistencia

ΔR/R = 2,05·400·10⁻⁶ = 0,00082

Salida del puente

Vo = Vs·GF·ε/2 = 2,5·0,00082/2 = 1,025 mV

Respuesta

Vo = 1,025 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 20 %

Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.

Constante de posición

Kp = 2·2 = 4

Error ante escalón

ess = 100/(1 + 4) = 20 %

Respuesta

ess = 20 %
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kd = 1,8 s

Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomio característico

s(s + 1) + 5(20 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 100

Frecuencia natural

ωₙ = √100 = 10 rad/s

Ganancia derivativa

1 + 5Kd = 2·0,5·10 = 10
Kd = 1,8 s

Respuesta

Kd = 1,8 s

El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 2,667 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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3,317) = 0,4523

Resultado

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Respuesta

ts = 2,667 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 2,243 rad/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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Frecuencia natural

ωd = π/tp = π/1,5 = 2,094 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 2,094/0,9338 = 2,243 rad/s

Respuesta

ωn = 2,243 rad/s

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