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)1 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,5 N·m/A, Ra = 2 Ω) funciona a 48 V y mueve un par de carga de 1 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 48 Vk = 0,5 N·m/ARa = 2 ΩT = 1 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VRs​ = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 800 rpmT = 20 N·m

Un motor de corriente continua (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) con una alimentación fija de 240 V mueve una carga de 20 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 800 rpm.

V = 240 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 20 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm1440 rpmn2​ = ?

Una polea de 120 mm a 1440 rpm acciona una polea de 400 mm mediante una correa con un 3 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 800 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 100 mm y una polea de 400 mm cuyos centros están separados 800 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 100 mmd2 = 400 mmC = 800 mm
θ = °
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
∿01N = 1020 kHz? MB

Un registrador muestrea un canal a 20 kHz con un ADC de 10 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 10 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 1fs = 20 kHzN = 10t = 10 min
M = MB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T10 mV/°C×20∿01N = 10, 2,5 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 10 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 20 veces y se aplica a un ADC de 10 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 = 10 mV/°CG = 20N = 10VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−12 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−285,7 mV

Un puente con cuatro brazos de 500 Ω se alimenta con 12 V. Cuando cambia el sensor R₂, la salida marca Vab = 285,7 mV. Halla el cambio exacto ΔR de R₂.

Vs = 12 VR = 500 ΩVab = 285,7 mV
ΔR = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−2,5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 120 Ω se excita con 2,5 V y tiene cuatro galgas activas, dos a tracción y dos a compresión (puente completo). El factor de galga es 2,12 y la deformación es de 750 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 750 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 2·t²/2+10(s + 4)s²(s + 2)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 2·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 2)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 2))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 251s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K = 25 controla la planta G(s) = 1/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 25
tp = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 135/(s² + 11s + 45) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 135/(s² + 11s + 45)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
k = 1000 N/mc = 14 N·s/mm = 5 kgF = 10 Nx(t)

Una masa m = 5 kg cuelga de un resorte k = 1000 N/m con un amortiguador viscoso c = 14 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 10 N. Halla el instante tp en el que el desplazamiento es máximo.

m = 5 kgk = 1000 N/mc = 14 N·s/mF = 10 N
tp = 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 = 1/0,5 = 2 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 48 − 2·2 = 44 V
ω = E/k = 88 rad/s → n = 840,3 rpm

Respuesta

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

Respuesta: Rs = 6,419 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.

Corriente y fuerza contraelectromotriz

Ia = 20/0,8 = 25 A
E = 0,8·83,78 = 67,02 V

Resistencia en serie

Ra + Rs = (240 − 67,02)/25 = 6,919 Ω
Rs = 6,419 Ω

Respuesta

Rs = 6,419 Ω

La resistencia disipa 4012 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 419 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

1440·120/400 = 432 rpm

Con deslizamiento

n2 = 432·0,97 = 419 rpm

Respuesta

n2 = 419 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 158,4 °

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(0,1875) = 10,81°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·10,81 = 158,4°

Respuesta

θ = 158,4°
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: M = 24 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

⌈10/8⌉ = 2 B

Tasa de bytes

1·20000·2 = 40000 B/s

Memoria

M = 40000·600 = 2,4 × 10⁷ B = 24 MB

Respuesta

M = 24 MB
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 0,01221 °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 = 2500/1024 = 2,441 mV

Sensibilidad en el ADC

10·20 = 200 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 2,441/200 = 0,01221 °C

Respuesta

ΔTLSB = 0,01221 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 12,5 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ΔR = 50 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.

Tensión del nudo

Va = 6 + 0,2857 = 6,286 V

Resuelve el divisor

R₂ = 500·6,286/(12 − 6,286) = 550 Ω
ΔR = 550 − 500 = 50 Ω

Respuesta

ΔR = 50 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 3,975 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 = 2,12·750·10⁻⁶ = 0,00159

Salida del puente

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,00159 = 3,975 mV

Respuesta

Vo = 3,975 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,1

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 aceleración

Ka = 10·4/2 = 20

Error ante parábola

ess = 2/20 = 0,1

Respuesta

ess = 0,1
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: tp = 1,047 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) + 25·1 = s² + 8s + 25

ωₙ y ζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 8/(2·5) = 0,8

Tiempo de pico

ωd = 5·√(1 − 0,8²) = 3 rad/s
tp = π/3 = 1,047 s

Respuesta

tp = 1,047 s
11.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,818 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 = 45 → ωₙ = 6,708 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·6,708) = 0,8199

Resultado

ωd = 6,708·√(1 − 0,8199²) = 3,841 rad/s → tp = π/ωd = 0,818 s

Respuesta

tp = 0,818 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,2232 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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = √(k/m) = √(1000/5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 14/(2·√(1000·5)) = 0,09899

Resultado

ωd = 14,07 rad/s
tp = π/ωd = 0,2232 s

Respuesta

tp = 0,2232 s

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