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
+−240 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 40 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 40 A de una alimentación de 240 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 460 W. Halla su rendimiento η.

V = 240 VIa = 40 ARa = 0,25 ΩProt = 460 W
η = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 0,2 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

Un motor de corriente continua de 240 V tiene una resistencia de inducido de 0,2 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 15 A.

V = 240 VRa = 0,2 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 150 mm a 720 rpm acciona una polea de 315 mm mediante una correa con un 1 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 36B = 48C = 32D = 36

Un motor de 11 kW a 1440 rpm acciona la rueda A (36 dientes), que engrana con la rueda B (48 dientes). La rueda C (32 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (36 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 36B = 48C = 32D = 36ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 82,5 V2ᴺ − 101 LSB0,364 V?

Un ADC de 8 bits con un rango de entrada de 0 a 2,5 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 0,364 V.

N = 8VFSR = 2,5 VVin = 0,364 V
D =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

Un ADC de 24 bits envía cada muestra por una UART a 38400 baudios, formato 8N1 (bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit de parada). Cada muestra se envía como 3 byte(s) completo(s) y el enlace está ocupado todo el tiempo. Halla la frecuencia de señal más alta fmax que se puede muestrear sin aliasing, en Hz.

baud = 38400 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−5 V400 Ω400 Ω400 Ω400 Ωab+−

Una galga extensométrica de 400 Ω es un brazo (R₂) de un puente con cuatro brazos iguales de 400 Ω y una excitación de 5 V. Halla la potencia Pg disipada en la galga, en mW. El autocalentamiento limita la excitación.

Vs = 5 VR = 400 Ω
Pg = mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Un cuarto de puente (una galga activa, GF = 2,12) se excita con 10 V. La mayor deformación que se quiere medir es de 250 µε, y debe dar 3,3 V a la entrada de un convertidor analógico-digital. Halla la ganancia del amplificador G.

Vs = 10 VGF = 2,12εmax = 250 µεVFS = 3,3 V
G =
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 10t+Ks(s + 4)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 4)) debe seguir la rampa r(t) = 10t con un error en régimen permanente de 0,01. Halla la ganancia K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 10tess = 0,01
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 204s(s + 10)C(s)−

Un controlador proporcional K = 20 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 10)) 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 + 10))K = 20
ts = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 7/(s² + 3s + 7) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 7/(s² + 3s + 7)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 8)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 15 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 15 %
K =

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 91,04 %

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.

Potencias

Pin = 240·40 = 9600 W
Pdev = 230·40 = 9200 W
Pout = 9200 − 460 = 8740 W

Rendimiento

η = 8740/9600·100 = 91,04 %

Respuesta

η = 91,04 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rst = 15,8 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 = 240/15 = 16 Ω

Resistencia de arranque

Rst = 16 − 0,2 = 15,8 Ω

Respuesta

Rst = 15,8 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: n2 = 339,4 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

720·150/315 = 342,9 rpm

Con deslizamiento

n2 = 342,9·0,99 = 339,4 rpm

Respuesta

n2 = 339,4 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 103 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Velocidad de salida

nout = 1440·(36/48)·(32/36) = 960 rpm
ωout = 2π·960/60 = 100,5 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 11000·0,97² = 10350 W
Tout = Pout/ωout = 10350/100,5 = 103 N·m

Respuesta

Tout = 103 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: D = 37

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 = 2,5/28 = 9,766 mV

Código

Vin/LSB = 364/9,766 = 37,27
código = ⌊37,27⌋ = 37

Respuesta

D = 37

En binario es 00100101.

6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fmax = 640 Hz

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 muestra en la línea

3·10 = 30 bit

Frecuencia de muestreo más alta

fs,max = 38400/30 = 1280 Hz

Límite de Nyquist

fmax = 1280/2 = 640 Hz

Respuesta

fmax = 640 Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Pg = 15,63 mW

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 en la galga

V = 5/2 = 2,5 V

Potencia

Pg = 2,5²/400 = 15,63 mW

Respuesta

Pg = 15,63 mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: G = 2491

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 = 1,325 mV

Ganancia

G = 3,3/0,001325 = 2491

Respuesta

G = 2491
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 4000

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 requerida

Kv = A/ess = 10/0,01 = 1000

Ganancia

K = 4·Kv = 4000

Respuesta

K = 4000

Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,03162. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.

10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ts = 0,8 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 + 10) + 20·4 = s² + 10s + 80

ωₙ y ζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 10/(2·8,944) = 0,559

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Respuesta

ts = 0,8 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: tp = 1,441 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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,646) = 0,5669

Resultado

ωd = 2,646·√(1 − 0,5669²) = 2,179 rad/s → tp = π/ωd = 1,441 s

Respuesta

tp = 1,441 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 59,88

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) = K/(s² + 8s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Ganancia

ωₙ = 8/(2ζ) = 7,738 rad/s
K = ωₙ² = 59,88

Respuesta

K = 59,88

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