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 = 0,25 N·m/A y Ra = 2 Ω se conecta a 24 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.

V = 24 Vk = 0,25 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 1,2 ΩM+−En = 600 rpmT = 8 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 1 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) desde un bus de continua de 240 V. La tensión media del inducido es D·240 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 600 rpm con una carga de 8 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 8 N·mn = 600 rpm
D = %
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 32N2​ = 48

Un motor de 5,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 32 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 5,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 32N2 = 48η = 100%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 16B = 30C = 18D = 72

Un motor de 4 kW a 1450 rpm acciona la rueda A (16 dientes), que engrana con la rueda B (30 dientes). La rueda C (18 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (72 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida Tout.

P = 4 kWnin = 1450 rpmA = 16B = 30C = 18D = 72ηmesh = 95%
Tout = N·m
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?2,5 V2ᴺ − 10≤ 0,5 mV

Un ADC con un rango de entrada de 0 a 2,5 V debe resolver pasos de 0,5 mV o menos. Halla el menor número de bits N.

VFSR = 2,5 Vresolución = 0,5 mV
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​9600 Bd, 8E1

Un ADC de 12 bits envía cada muestra por una UART a 9600 baudios, formato 8E1 (bit de inicio, 8 bits de datos, paridad par, 1 bit de parada). Cada muestra se envía como 2 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 = 128E1
fmax = Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−3 VR1​ = 80 ΩR2​ = 80 ΩR3​ = 500 ΩR4​ = 250 ΩabGRg​ = 200 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 200 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 3 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.

Vs = 3 VR1 = 80 ΩR2 = 80 ΩR3 = 500 ΩR4 = 250 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Un cuarto de puente (una galga activa, GF = 2,05) se excita con 5 V. La mayor deformación que se quiere medir es de 500 µε, y debe dar 10 V a la entrada de un convertidor analógico-digital. Halla la ganancia del amplificador G.

Vs = 5 VGF = 2,05εmax = 500 µεVFS = 10 V
G =
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 10t+Ks(s + 1)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 1)) 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 + 1))r(t) = 10tess = 0,01
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 5C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 2/(s + 5) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 6 rad/s y ζ = 1. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 6 rad/sζ = 1
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 30,5/(s² + 10s + 61) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 30,5/(s² + 10s + 61)
ωn = rad/s
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 10)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 25 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 25 %
K =

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: Tstall = 3 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 = 24/2 = 12 A

Par de bloqueo

Tstall = 0,25·12 = 3 N·m

Respuesta

Tstall = 3 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 30,18 %

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.

Tensión de inducido necesaria

Va = 1·62,83 + 8·1,2 = 72,43 V

Ciclo de trabajo

D = 72,43/240 = 30,18 %

Respuesta

D = 30,18 %
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 27,17 N·m

Trenes de engranajes: los engranajes que engranan entre sí tienen la misma velocidad en los dientes, así que n₁·N₁ = n₂·N₂: el engranaje con menos dientes gira más rápido. Los engranajes montados en un mismo eje giran a la misma velocidad. La potencia se transmite (menos las pérdidas), así que el par aumenta cuando la velocidad disminuye: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, y P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Par del motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Par de salida

T2 = 18,11·48/32·1 = 27,17 N·m

Respuesta

T2 = 27,17 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 178,3 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 = 1450·(16/30)·(18/72) = 193,3 rpm
ωout = 2π·193,3/60 = 20,25 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 4000·0,95² = 3610 W
Tout = Pout/ωout = 3610/20,25 = 178,3 N·m

Respuesta

Tout = 178,3 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 13

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

2500 mV/0,5 mV = 5000

Bits

log₂(5000) = 12,29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13

Respuesta

N = 13
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fmax = 218,2 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

2·11 = 22 bit

Frecuencia de muestreo más alta

fs,max = 9600/22 = 436,4 Hz

Límite de Nyquist

fmax = 436,4/2 = 218,2 Hz

Respuesta

fmax = 218,2 Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = 1230 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 = 3·(80/160 − 250/750) = 0,5 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 206,7 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = 0,5/(206,7 + 200) = 1230 µA

Respuesta

Ig = 1230 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: G = 7805

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 = 1,281 mV

Ganancia

G = 10/0,001281 = 7805

Respuesta

G = 7805
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 1000

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 = 1·Kv = 1000

Respuesta

K = 1000

Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,01581. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.

10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kp = 3,5

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 + 5).

s² + (5 + 2Kp)s + 2Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·1·6s + 6² = s² + 12s + 36

Iguala los coeficientes

5 + 2Kp = 12 → Kp = 3,5

Respuesta

Kp = 3,5

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: ωn = 7,81 rad/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 = 61 → ωₙ = 7,81 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,81) = 0,6402

Resultado

ωₙ = 7,81 rad/s

Respuesta

ωn = 7,81 rad/s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 153,4

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 + 10s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Ganancia

ωₙ = 10/(2ζ) = 12,39 rad/s
K = ωₙ² = 153,4

Respuesta

K = 153,4

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