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)9,6 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,8 Ω) funciona a 120 V y mueve un par de carga de 9,6 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 120 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,8 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 6,4 N·m

Un motor de corriente continua de excitación independiente (k = 0,8 V·s/rad a campo completo, Ra = 1,5 Ω, V = 240 V) mueve un par de carga constante de 6,4 N·m. El flujo del campo se reduce al 85 % de su valor completo. Halla la nueva velocidad n.

V = 240 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 6,4 N·mΦ = 85 %
n = rpm
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm2880 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 250 NP = ?

Una correa pasa por una polea motriz de 160 mm a 2880 rpm. La tensión es de 1000 N en el ramal tenso y de 250 N en el ramal flojo. Halla la potencia P transmitida, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1000 NT2 = 250 N
P = kW
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 1200 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 125 mm y una polea de 315 mm cuyos centros están separados 1200 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 125 mmd2 = 315 mmC = 1200 mm
θ = °
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 18VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Halla la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR de un ADC de 18 bits para una onda senoidal a fondo de escala.

N = 18
SQNR = dB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​9600 Bd, 8N1

Un ADC de 24 bits envía cada muestra por una UART a 9600 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 = 9600 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 470 Ω y Vs = 2 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 37,6 Ω. Halla la salida exacta Vab en mV.

Vs = 2 VR = 470 ΩΔR = 37,6 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−7,875 mV

Un cuarto de puente con una galga activa (GF = 2,1) se excita con 10 V. Bajo carga la salida marca 7,875 mV. Halla la deformación ε en µε.

Vs = 10 VGF = 2,1Vo = 7,875 mV
ε = µε
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 1 + 1t+10(s + 3)s(s + 4)(s + 10)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 1 + 1t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 1 + 1t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 5/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 8 rad/s y ζ = 1. Halla la ganancia integral Ki.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Ki =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 12/(s² + s + 6) 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) = 12/(s² + s + 6)
ts = s
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+175s(s + 8)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 175/(s(s + 8)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 175/(s(s + 8))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 904 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 = 9,6/1,2 = 8 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 120 − 8·0,8 = 113,6 V
ω = E/k = 94,67 rad/s → n = 904 rpm

Respuesta

n = 904 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 3172 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.

Constante del motor debilitada

k₂ = 0,85·0,8 = 0,68 V·s/rad

Nueva corriente de inducido

Ia = 6,4/0,68 = 9,412 A

Nueva velocidad

ω = (240 − 9,412·1,5)/0,68 = 332,2 rad/s → n = 3172 rpm

Respuesta

n = 3172 rpm

El debilitamiento de campo es la forma en que un accionamiento de corriente continua funciona por encima de su velocidad base.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 18,1 kW

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 de la correa

v = 24,13 m/s

Potencia

P = (1000 − 250)·24,13 = 18096 W = 18,1 kW

Respuesta

P = 18,1 kW
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 170,9 °

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(0,07917) = 4,541°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·4,541 = 170,9°

Respuesta

θ = 170,9°
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: SQNR = 110,1 dB

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.

SQNR ideal

SQNR = 6,02·18 + 1,76 = 110,1 dB

Respuesta

SQNR = 110,1 dB
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fmax = 160 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 = 9600/30 = 320 Hz

Límite de Nyquist

fmax = 320/2 = 160 Hz

Respuesta

fmax = 160 Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 38,46 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.

Tensiones de los nudos

Va = 2·507,6/977,6 = 1,038 V
Vb = 1 V

Pérdidas

Vab = 38,46 mV

Respuesta

Vab = 38,46 mV

La estimación lineal Vs·ΔR/(4R) = 40 mV es un 4 % demasiado alta: un cuarto de puente no es del todo lineal.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ε = 1500 µε

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.

Despeja la ecuación del cuarto de puente

ε = 4·0,007875/(10·2,1) = 0,0015

En microdeformaciones

ε = 1500 µε

Respuesta

ε = 1500 µε
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1,333

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) = 0,75

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 1/0,75 = 1,333

Respuesta

ess = 1,333
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Ki = 12,8

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 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64

Iguala los coeficientes

5Ki = 64 → Ki = 12,8

Respuesta

Ki = 12,8

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 = 8 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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,449) = 0,2041

Resultado

ζωₙ = 0,5 → ts ≈ 4/0,5 = 8 s

Respuesta

ts = 8 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1 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) = 175/(s² + 8s + 175): ωₙ = 13,23 rad/s, ζ = 0,3024

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Respuesta

ts = 1 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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