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
+−220 VRa​ = 0,8 ΩIa​ = 25 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 25 A de una alimentación de 220 V. Su resistencia de inducido es de 0,8 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 250 W. Halla su rendimiento η.

V = 220 VIa = 25 ARa = 0,8 ΩProt = 250 W
η = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 500 rpmT = 7,2 N·m

Un motor de corriente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) con una alimentación fija de 120 V mueve una carga de 7,2 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 500 rpm.

V = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 7,2 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 25, m = 2,5 mm

Un motor de 4 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 25 dientes y módulo 2,5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 4 kWn = 2900 rpmN1 = 25m = 2,5 mm
Ft = N
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 1000 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 80 mm a 1440 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 1000 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 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 = 80 mmn1 = 1440 rpmd2 = 315 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

Un ADC con un rango de entrada de 0 a 10 V debe resolver pasos de 10 mV o menos. Halla el menor número de bits N.

VFSR = 10 Vresolución = 10 mV
N =
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 100 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.

SQNR ≥ 100 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V470 Ω470 Ω470 Ω470 Ωab+−

Una galga extensométrica de 470 Ω es un brazo (R₂) de un puente con cuatro brazos iguales de 470 Ω y una excitación de 2 V. Halla la potencia Pg disipada en la galga, en mW. El autocalentamiento limita la excitación.

Vs = 2 VR = 470 Ω
Pg = mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1,193 mV

Un cuarto de puente con una galga activa (GF = 2,12) se excita con 3 V. Bajo carga la salida marca 1,193 mV. Halla la deformación ε en µε.

Vs = 3 VGF = 2,12Vo = 1,193 mV
ε = µε
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 1·t²/2+2(s + 2)s²(s + 2)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 1·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 2(s + 2)/(s²(s + 2)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 2(s + 2)/(s²(s + 2))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 510s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K = 5 controla la planta G(s) = 10/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 10/(s(s + 8))K = 5
%OS = %
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 33/(s² + 6s + 33) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 33/(s² + 6s + 33)
%OS = %
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+95s(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 95/(s(s + 2)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 95/(s(s + 2))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 86,36 %

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 = 220·25 = 5500 W
Pdev = 200·25 = 5000 W
Pout = 5000 − 250 = 4750 W

Rendimiento

η = 4750/5500·100 = 86,36 %

Respuesta

η = 86,36 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rs = 8,028 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.

Corriente y fuerza contraelectromotriz

Ia = 7,2/1,2 = 6 A
E = 1,2·52,36 = 62,83 V

Resistencia en serie

Ra + Rs = (120 − 62,83)/6 = 9,528 Ω
Rs = 8,028 Ω

Respuesta

Rs = 8,028 Ω

La resistencia disipa 289 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 421,5 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Par en el piñón

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 2,5·25 = 62,5 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·13,17/0,0625 = 421,5 N

Respuesta

Ft = 421,5 N
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 4,211 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 = 2,906 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8718 = 2,391, T₂ = 1200/2,391 = 501,8 N

Potencia

P = (1200 − 501,8)·6,032 = 4,211 kW

Respuesta

P = 4,211 kW
5.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.

Pasos necesarios

10000 mV/10 mV = 1000

Bits

log₂(1000) = 9,966
29 = 512 < 1000 ≤ 210 = 1024
N = 10

Respuesta

N = 10
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 17

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 ≥ (100 − 1,76)/6,02 = 16,32

Redondear hacia arriba

N = 17
comprobación: 6,02·17 + 1,76 = 104,1 dB ≥ 100 dB

Respuesta

N = 17
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Pg = 2,128 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 = 2/2 = 1 V

Potencia

Pg = 1²/470 = 2,128 mW

Respuesta

Pg = 2,128 mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ε = 750,3 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 = 4·0,001193/(3·2,12) = 0,0007503

En microdeformaciones

ε = 750,3 µε

Respuesta

ε = 750,3 µε
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,5

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 aceleración

Ka = 2·2/2 = 2

Error ante parábola

ess = 1/2 = 0,5

Respuesta

ess = 0,5
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: %OS = 11,59 %

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 + 8) + 5·10 = s² + 8s + 50

ωₙ y ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 8/(2·7,071) = 0,5657

Sobreimpulso

%OS = 100·e−0,5657π/√(1 − 0,5657²) = 11,59 %

Respuesta

%OS = 11,59 %
11.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 14,6 %

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 = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,745) = 0,5222

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,924 = 14,6 %

Respuesta

%OS = 14,6 %
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 4 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) = 95/(s² + 2s + 95): ωₙ = 9,747 rad/s, ζ = 0,1026

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Respuesta

ts = 4 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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