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
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

Un motor de corriente continua entrega 11 kW de potencia mecánica a 1450 rpm. Halla el par en el eje T.

P = 11 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−120 VD = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 800 rpmT = 1,6 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) desde un bus de continua de 120 V. La tensión media del inducido es D·120 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 800 rpm con una carga de 1,6 N·m.

Vdc = 120 Vk = 0,4 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 1,6 N·mn = 800 rpm
D = %
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 200 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 720 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 1 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 200 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 60B = 80C = 18D = 20

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (60 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (80 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (20 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1450 rpmA = 60B = 80C = 18D = 20
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​4800 Bd, 8E1

Una UART envía bytes a 4800 baudios en el formato 8E1: 8 bits de datos, un bit de paridad par y 1 bit(s) de parada, además del bit de inicio. Halla el mayor número de bytes de datos por segundo que puede transferir.

baud = 4800 Bd8E1
RB = B/s
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T5 mV/°C×10∿01N = 8, 2,5 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 5 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 10 veces y se aplica a un ADC de 8 bits con un rango de 0 a 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Halla la variación de temperatura ΔTLSB que corresponde a un LSB.

S = 5 mV/°CG = 10N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−12 VR1​ = 50 ΩR2​ = 100 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 1000 ΩabGRg​ = 200 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 200 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 12 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.

Vs = 12 VR1 = 50 ΩR2 = 100 ΩR3 = 300 ΩR4 = 1000 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Un cuarto de puente (una galga activa, GF = 2) se excita con 5 V. La mayor deformación que se quiere medir es de 750 µε, y debe dar 5 V a la entrada de un convertidor analógico-digital. Halla la ganancia del amplificador G.

Vs = 5 VGF = 2εmax = 750 µεVFS = 5 V
G =
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria tiene G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Halla la ganancia K que da un error en régimen permanente del 25 % para una entrada en escalón.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 10/(s + 4) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 5 rad/s y ζ = 0,6. Halla la ganancia integral Ki.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,6
Ki =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 33/(s² + 2s + 66) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 33/(s² + 2s + 66)
σ =
12.Respuesta al escalónDifícil
+−10 VR = 600 ΩL = 500 mHC = 2 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 600 Ω, L = 500 mH y C = 2 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.

R = 600 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 10 V
%OS = %

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: T = 72,44 N·m

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.

Velocidad en rad/s

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s

Par

T = P/ω = 11000/151,8 = 72,44 N·m

Respuesta

T = 72,44 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 32,93 %

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 = 0,4·83,78 + 4·1,5 = 39,51 V

Ciclo de trabajo

D = 39,51/120 = 32,93 %

Respuesta

D = 32,93 %
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 534,6 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

720·150/200 = 540 rpm

Con deslizamiento

n2 = 540·0,99 = 534,6 rpm

Respuesta

n2 = 534,6 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 978,8 rpm

Trenes de engranajes: los engranajes que engranan entre sí tienen la misma velocidad en los dientes, así que n₁·N₁ = n₂·N₂: el engranaje con menos dientes gira más rápido. Los engranajes montados en un mismo eje giran a la misma velocidad. La potencia se transmite (menos las pérdidas), así que el par aumenta cuando la velocidad disminuye: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, y P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Primera etapa

nB = 1450·60/80 = 1088 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 1088·18/20 = 978,8 rpm

Respuesta

nout = 978,8 rpm

relación total = 1,481 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: RB = 436,4 B/s

UART: un enlace serie asíncrono envía cada byte como una trama: un bit de inicio (nivel bajo), los bits de datos, un bit de paridad opcional y uno o dos bits de parada (nivel alto). La tasa de baudios es el número de bits por segundo, así que un bit dura Tb = 1/baudios y una trama de n bits dura n/baudios. El formato habitual 8N1 tiene 10 bits por byte. El generador de baudios divide el reloj: baudios = fclk/(16·D) con un número entero D, así que la tasa de baudios real difiere ligeramente de la deseada; un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

Bits por trama

1 + 8 + 1 + 1 = 11

Tasa de bytes

4800/11 = 436,4 B/s

Respuesta

RB = 436,4 B/s
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 0,1953 °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 = 2500/256 = 9,766 mV

Sensibilidad en el ADC

5·10 = 50 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 9,766/50 = 0,1953 °C

Respuesta

ΔTLSB = 0,1953 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 50 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = −2652 µA

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.

Tensión de Thévenin

Vth = 12·(100/150 − 1000/1300) = −1,231 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 264,1 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = −1,231/(264,1 + 200) = −2652 µA

Respuesta

Ig = −2652 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: G = 2667

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.

Salida del puente a fondo de escala

Vo = 1,875 mV

Ganancia

G = 5/0,001875 = 2667

Respuesta

G = 2667
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 150

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 error requerida

1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3

Ganancia

K/50 = 3 → K = 150

Respuesta

K = 150

Comprueba también la estabilidad del lazo cerrado: en este lazo de segundo orden cualquier K > 0 es estable.

10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Ki = 2,5

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplicado por s(s + 4).

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,6·5s + 5² = s² + 6s + 25

Iguala los coeficientes

10Ki = 25 → Ki = 2,5

Respuesta

Ki = 2,5

El término integral hace que el lazo sea de tipo 1, así que un escalón se sigue sin error en régimen permanente.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −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).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 66 → ωₙ = 8,124 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8,124) = 0,1231

Resultado

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Respuesta

σ = −1
12.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 9,478 %

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/√(0,5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (600/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,5) = 0,6

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,478 %

Respuesta

%OS = 9,478 %

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