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
+−24 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 5 A de una alimentación de 24 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 9 W. Halla su rendimiento η.

V = 24 VIa = 5 ARa = 0,25 ΩProt = 9 W
η = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
T (N·m)n (rpm)1,25 N·m600 rpm

Un motor de corriente continua con k = 0,25 V·s/rad y Ra = 0,5 Ω debe mover una carga de 1,25 N·m a 600 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.

k = 0,25 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 1,25 N·mn = 600 rpm
V = V
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

Una polea de 200 mm a 720 rpm acciona una polea de 315 mm mediante una correa con un 2 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 720 rpmd1 = 200 mmd2 = 315 mms = 2 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 1000 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 160 mm a 2880 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,35 y la tensión del ramal tenso no puede superar 1200 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmd2 = 315 mmC = 1000 mmμ = 0,35T1 = 1200 N
P = kW
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 83,3 V2ᴺ − 101 LSB1,209 V?

Un ADC de 8 bits con un rango de entrada de 0 a 3,3 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 1,209 V.

N = 8VFSR = 3,3 VVin = 1,209 V
D =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Una medición de audio necesita una relación señal/ruido de cuantización ideal de al menos 60 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.

SQNR ≥ 60 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 350 Ω y Vs = 5 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 1,75 Ω. Con la aproximación de pequeño cambio, halla la salida Vab en mV.

Vs = 5 VR = 350 ΩΔR = 1,75 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−3 mV

Un cuarto de puente con una galga activa (GF = 2) se excita con 5 V. Bajo carga la salida marca 3 mV. Halla la deformación ε en µε.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 3 mV
ε = µε
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 5 + 4t+50s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 5 + 4t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 5 + 4t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+20 + Kd​s1s(s + 3)C(s)−

Un controlador PD C(s) = 20 + Kd·s controla la planta G(s) = 1/(s(s + 3)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,6.

G(s) = 1/(s(s + 3))Kp = 20ζ = 0,6
Kd = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 15/(s² + s + 5) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 15/(s² + s + 5)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
k = 5000 N/mc = 316 N·s/mm = 20 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 20 kg cuelga de un resorte k = 5000 N/m con un amortiguador viscoso c = 316 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 100 N. Halla el instante tp en el que el desplazamiento es máximo.

m = 20 kgk = 5000 N/mc = 316 N·s/mF = 100 N
tp = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 87,29 %

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 = 24·5 = 120 W
Pdev = 22,75·5 = 113,8 W
Pout = 113,8 − 9 = 104,8 W

Rendimiento

η = 104,8/120·100 = 87,29 %

Respuesta

η = 87,29 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: V = 18,21 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 = 0,25·62,83 = 15,71 V

Corriente de inducido

Ia = 1,25/0,25 = 5 A

Tensión de inducido

V = 15,71 + 5·0,5 = 18,21 V

Respuesta

V = 18,21 V
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 448 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

720·200/315 = 457,1 rpm

Con deslizamiento

n2 = 457,1·0,98 = 448 rpm

Respuesta

n2 = 448 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 18,77 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.

Ángulo de contacto

θ = 2,986 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e1,045 = 2,844, T₂ = 1200/2,844 = 421,9 N

Potencia

P = (1200 − 421,9)·24,13 = 18,77 kW

Respuesta

P = 18,77 kW
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: D = 93

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 = 3,3/28 = 12,89 mV

Código

Vin/LSB = 1209/12,89 = 93,79
código = ⌊93,79⌋ = 93

Respuesta

D = 93

En binario es 01011101.

6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 10

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.

Despeja N

N ≥ (60 − 1,76)/6,02 = 9,674

Redondear hacia arriba

N = 10
comprobación: 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB ≥ 60 dB

Respuesta

N = 10
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 6,25 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 = 1,75/350 = 0,005

Salida linealizada

Vab ≈ 5·0,005/4 = 6,25 mV

Respuesta

Vab = 6,25 mV

El valor exacto es 6,234 mV; la aproximación es buena mientras ΔR/R sea pequeño.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ε = 1200 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 = 4·0,003/(5·2) = 0,0012

En microdeformaciones

ε = 1200 µε

Respuesta

ε = 1200 µε
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,4

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) = 10

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 4/10 = 0,4

Respuesta

ess = 0,4
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kd = 2,367 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 + 3) + 1(20 + Kds) = s² + (3 + 1Kd)s + 20

Frecuencia natural

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Ganancia derivativa

3 + 1Kd = 2·0,6·4,472 = 5,367
Kd = 2,367 s

Respuesta

Kd = 2,367 s

El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.

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 = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,236) = 0,2236

Resultado

ωd = 2,236·√(1 − 0,2236²) = 2,179 rad/s → tp = π/ωd = 1,441 s

Respuesta

tp = 1,441 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,2294 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) = √(5000/20) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 316/(2·√(5000·20)) = 0,4996

Resultado

ωd = 13,7 rad/s
tp = π/ωd = 0,2294 s

Respuesta

tp = 0,2294 s

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