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)0,5 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,25 N·m/A, Ra = 1 Ω) funciona a 24 V y mueve un par de carga de 0,5 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 24 Vk = 0,25 N·m/ARa = 1 ΩT = 0,5 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 1 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

Un motor de corriente continua de 48 V tiene una resistencia de inducido de 1 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 15 A.

V = 48 VRa = 1 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 20N2​ = 80

Un motor de 3 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 80 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 80η = 97%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 32B = 72C = 50D = 72

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (32 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (72 dientes). El engranaje C (50 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 32B = 72C = 50D = 72
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
124⋮4 ch∿01N = 141 kHz? MB

Un registrador muestrea 4 canales a 1 kHz cada uno con un ADC de 14 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 15 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 4fs = 1 kHzN = 14t = 15 min
M = MB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​24 MHz / (16·D)

Un microcontrolador con un reloj de 24 MHz fija su tasa de baudios de la UART como fclk/(16·D), con D un número entero redondeado al valor más cercano. El objetivo es 4800 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).

fclk = 24 MHzobjetivo = 4800 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−9 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 120 Ω y Vs = 9 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 0,96 Ω. Con la aproximación de pequeño cambio, halla la salida Vab en mV.

Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 0,96 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Una célula de carga (un puente completo de galgas extensométricas) tiene una salida nominal de 1,5 mV/V a su carga nominal de 100 kg. Se excita con 5 V. Halla su salida Vo bajo una carga de 25 kg.

1,5 mV/VFrated = 100 kgVs = 5 VF = 25 kg
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 1 + 4t+4s(s + 1)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 1 + 4t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 4/(s(s + 1)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 4/(s(s + 1))r(t) = 1 + 4t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 404s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K = 40 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 4/(s(s + 8))K = 40
ts = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 84/(s² + 11s + 84) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 84/(s² + 11s + 84)
ζ =
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+185s(s + 20)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 185/(s(s + 20)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 185/(s(s + 20))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 840,3 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 = 0,5/0,25 = 2 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 24 − 2·1 = 22 V
ω = E/k = 88 rad/s → n = 840,3 rpm

Respuesta

n = 840,3 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rst = 2,2 Ω

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.

Resistencia total

Ra + Rst = 48/15 = 3,2 Ω

Resistencia de arranque

Rst = 3,2 − 1 = 2,2 Ω

Respuesta

Rst = 2,2 Ω

La resistencia se va eliminando por etapas a medida que el motor acelera y crece la fuerza contraelectromotriz.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 76,66 N·m

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.

Par del motor

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151,8 = 19,76 N·m

Par de salida

T2 = 19,76·80/20·0,97 = 76,66 N·m

Respuesta

T2 = 76,66 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 444,4 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 = 1440·32/72 = 640 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 640·50/72 = 444,4 rpm

Respuesta

nout = 444,4 rpm

relación total = 3,24 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: M = 7,2 MB

Tasas de datos: cada canal entrega fs muestras por segundo de N bits, así que la tasa en bruto es canales × fs × N bit/s. En memoria una muestra ocupa bytes completos (una muestra de 12 bits se almacena en 2 bytes), así que la memoria de una grabación es canales × fs × bytes por muestra × tiempo. Un ADC multiplexado convierte los canales uno tras otro: cada conversión (con estabilización) tarda t, así que una ronda de n canales tarda n·t y cada canal se muestrea a 1/(n·t).

Bytes por muestra

⌈14/8⌉ = 2 B

Tasa de bytes

4·1000·2 = 8000 B/s

Memoria

M = 8000·900 = 7,2 × 10⁶ B = 7,2 MB

Respuesta

M = 7,2 MB
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: e = −0,1597 %

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.

Divisor

D = 24·10⁶/(16·4800) = 312,5 → 313

Tasa de baudios real

24·10⁶/(16·313) = 4792 Bd

Error

(4792 − 4800)/4800·100 = −0,1597 %

Respuesta

e = −0,1597 %

Un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 18 mV

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.

Cambio relativo

ΔR/R = 0,96/120 = 0,008

Salida linealizada

Vab ≈ 9·0,008/4 = 18 mV

Respuesta

Vab = 18 mV

El valor exacto es 17,93 mV; la aproximación es buena mientras ΔR/R sea pequeño.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 1,875 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.

Salida a fondo de escala

1,5·5 = 7,5 mV

Salida con esta carga

Vo = 7,5·25/100 = 1,875 mV

Respuesta

Vo = 1,875 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1

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 velocidad

Kv = lim s·G(s) = 4

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 4/4 = 1

Respuesta

ess = 1
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ts = 1 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 + 8) + 40·4 = s² + 8s + 160

ωₙ y ζ

ωₙ = √160 = 12,65 rad/s
ζ = 8/(2·12,65) = 0,3162

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

Respuesta

ts = 1 s

Aquí el tiempo de establecimiento no depende de K: aumentar K solo hace que la respuesta oscile más rápido.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,6001

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 = 84 → ωₙ = 9,165 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9,165) = 0,6001

Resultado

ζ = 0,6001

Respuesta

ζ = 0,6001
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 0,4 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 185/(s² + 20s + 185): ωₙ = 13,6 rad/s, ζ = 0,7352

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

Respuesta

ts = 0,4 s

Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.

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