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)Tst​ = ?n0​

Un motor de corriente continua con k = 0,8 N·m/A y Ra = 1,2 Ω se conecta a 240 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.

V = 240 Vk = 0,8 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
T (N·m)n (rpm)4,8 N·m800 rpm

Un motor de corriente continua con k = 0,4 V·s/rad y Ra = 0,2 Ω debe mover una carga de 4,8 N·m a 800 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.

k = 0,4 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 4,8 N·mn = 800 rpm
V = V
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm1450 rpmn2​ = ?

Una polea de 100 mm a 1450 rpm acciona una polea de 300 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm960 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 120 mm y una polea de 200 mm cuyos centros están separados 1200 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 120 mmd2 = 200 mmC = 1200 mm
θ = °
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?3,3 V2ᴺ − 10≤ 0,1 mV

Un ADC con un rango de entrada de 0 a 3,3 V debe resolver pasos de 0,1 mV o menos. Halla el menor número de bits N.

VFSR = 3,3 Vresolución = 0,1 mV
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​32 MHz / (16·D)

Un microcontrolador con un reloj de 32 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 9600 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).

fclk = 32 MHzobjetivo = 9600 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−15 VR1​ = 200 ΩR2​ = 300 ΩR3​ = 500 ΩR4​ = 50 ΩabGRg​ = 20 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 20 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 15 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.

Vs = 15 VR1 = 200 ΩR2 = 300 ΩR3 = 500 ΩR4 = 50 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 3 V y tiene una galga activa (cuarto de puente). El factor de galga es 2,12 y la deformación es de 250 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 3 VGF = 2,12ε = 250 µε
Vo = mV
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 20 % para una entrada en escalón.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 20 %
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 1C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 4/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 2 rad/s y ζ = 0,7. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 2 rad/sζ = 0,7
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 204/(s² + 6s + 68) 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) = 204/(s² + 6s + 68)
ts = s
12.Respuesta al escalónDifícil
k = 1000 N/mc = 63 N·s/mm = 4 kgF = 50 Nx(t)

Una masa m = 4 kg cuelga de un resorte k = 1000 N/m con un amortiguador viscoso c = 63 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 50 N. Halla el instante tp en el que el desplazamiento es máximo.

m = 4 kgk = 1000 N/mc = 63 N·s/mF = 50 N
tp = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: Tstall = 160 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.

Corriente de bloqueo

Ia = V/Ra = 240/1,2 = 200 A

Par de bloqueo

Tstall = 0,8·200 = 160 N·m

Respuesta

Tstall = 160 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: V = 35,91 V

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.

Fuerza contraelectromotriz

E = 0,4·83,78 = 33,51 V

Corriente de inducido

Ia = 4,8/0,4 = 12 A

Tensión de inducido

V = 33,51 + 12·0,2 = 35,91 V

Respuesta

V = 35,91 V
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 473,7 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

1450·100/300 = 483,3 rpm

Con deslizamiento

n2 = 483,3·0,98 = 473,7 rpm

Respuesta

n2 = 473,7 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 176,2 °

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(0,03333) = 1,91°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·1,91 = 176,2°

Respuesta

θ = 176,2°
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 16

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.

Pasos necesarios

3300 mV/0,1 mV = 33000

Bits

log₂(33000) = 15,01
215 = 32768 < 33000 ≤ 216 = 65536
N = 16

Respuesta

N = 16
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: e = 0,1603 %

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 = 32·10⁶/(16·9600) = 208,3 → 208

Tasa de baudios real

32·10⁶/(16·208) = 9615 Bd

Error

(9615 − 9600)/9600·100 = 0,1603 %

Respuesta

e = 0,1603 %

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

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = 41176 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 = 15·(300/500 − 50/550) = 7,636 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 165,5 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = 7,636/(165,5 + 20) = 41176 µA

Respuesta

Ig = 41176 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 0,3975 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 = 2,12·250·10⁻⁶ = 0,00053

Salida del puente

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,00053/4 = 0,3975 mV

Respuesta

Vo = 0,3975 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 200

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) = 0,2 → Kp = 4

Ganancia

K/50 = 4 → K = 200

Respuesta

K = 200

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: Kp = 0,45

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 + 1).

s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,7·2s + 2² = s² + 2,8s + 4

Iguala los coeficientes

1 + 4Kp = 2,8 → Kp = 0,45

Respuesta

Kp = 0,45

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: ts = 1,333 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 = 68 → ωₙ = 8,246 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,246) = 0,3638

Resultado

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Respuesta

ts = 1,333 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,2291 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) = √(1000/4) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 63/(2·√(1000·4)) = 0,4981

Resultado

ωd = 13,71 rad/s
tp = π/ωd = 0,2291 s

Respuesta

tp = 0,2291 s

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