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)0,5 N·mn0​nFL​

Un motor de corriente continua (k = 0,25 V·s/rad, Ra = 1 Ω) funciona a 48 V. A plena carga absorbe 2 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.

V = 48 Vk = 0,25 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 2 A
SR = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−24 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 6 → 3,6 AM+−En = ?T

Un motor de corriente continua de excitación independiente a 24 V (Ra = 0,2 Ω) funciona a 1800 rpm con una corriente de inducido de 6 A. La carga cambia y la corriente pasa a 3,6 A, con el campo sin cambios. Halla la nueva velocidad n2.

V = 24 VRa = 0,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 6 AIa2 = 3,6 A
n2 = rpm
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 25N2​ = 72

Un motor de 0,75 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 25 dientes, que engrana con una rueda de 72 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 0,75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 72η = 98%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 45C = 30D = 32

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (15 dientes), en el eje de entrada que gira a 1440 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (30 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (32 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1440 rpmA = 15B = 45C = 30D = 32
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
124⋮4 ch∿01N = 1220 kHz? MB

Un registrador muestrea 4 canales a 20 kHz cada uno con un ADC de 12 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 2 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 4fs = 20 kHzN = 12t = 2 min
M = MB
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 85 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.

SQNR ≥ 85 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−15 VR1​ = 250 ΩR2​ = 200 ΩR3​ = 400 ΩR4​ = 20 ΩabGRg​ = 100 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 100 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 = 250 ΩR2 = 200 ΩR3 = 400 ΩR4 = 20 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 120 Ω se excita con 5 V y tiene una galga activa (cuarto de puente). El factor de galga es 2,05 y la deformación es de 200 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 5 VGF = 2,05ε = 200 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 2 + 4t+50(s + 2)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 2 + 4t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 50(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 50(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2 + 4t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K5s(s + 10)C(s)−

Un controlador proporcional K controla la planta G(s) = 5/(s(s + 10)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia K que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,8.

G(s) = 5/(s(s + 10))ζ = 0,8
K =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 94/(s² + 7s + 47) 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) = 94/(s² + 7s + 47)
ts = s
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+280s(s + 10)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 280/(s(s + 10)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 280/(s(s + 10))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: SR = 4,348 %

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.

Velocidad en vacío y a plena carga

n₀ = 60·48/(2π·0,25) = 1833 rpm
nFL = 60·(48 − 2·1)/(2π·0,25) = 1757 rpm

Regulación de velocidad

SR = (1833 − 1757)/1757·100 = 4,348 %

Respuesta

SR = 4,348 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: n2 = 1838 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.

Fuerza contraelectromotriz antes y después

E1 = 24 − 6·0,2 = 22,8 V
E2 = 24 − 3,6·0,2 = 23,28 V

Nueva velocidad

n2 = 1800·23,28/22,8 = 1838 rpm

Respuesta

n2 = 1838 rpm
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 6,97 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 = 750/303,7 = 2,47 N·m

Par de salida

T2 = 2,47·72/25·0,98 = 6,97 N·m

Respuesta

T2 = 6,97 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 450 rpm

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.

Primera etapa

nB = 1440·15/45 = 480 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 480·30/32 = 450 rpm

Respuesta

nout = 450 rpm

relación total = 3,2 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: M = 19,2 MB

Tasas de datos: cada canal entrega fs muestras por segundo de N bits, así que la tasa en bruto es canales × fs × N bit/s. En memoria una muestra ocupa bytes completos (una muestra de 12 bits se almacena en 2 bytes), así que la memoria de una grabación es canales × fs × bytes por muestra × tiempo. Un ADC multiplexado convierte los canales uno tras otro: cada conversión (con estabilización) tarda t, así que una ronda de n canales tarda n·t y cada canal se muestrea a 1/(n·t).

Bytes por muestra

⌈12/8⌉ = 2 B

Tasa de bytes

4·20000·2 = 160000 B/s

Memoria

M = 160000·120 = 1,92 × 10⁷ B = 19,2 MB

Respuesta

M = 19,2 MB
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 14

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 ≥ (85 − 1,76)/6,02 = 13,83

Redondear hacia arriba

N = 14
comprobación: 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB ≥ 85 dB

Respuesta

N = 14
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = 25862 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·(200/450 − 20/420) = 5,952 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 130,2 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = 5,952/(130,2 + 100) = 25862 µA

Respuesta

Ig = 25862 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 0,5125 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 = 2,05·200·10⁻⁶ = 0,00041

Salida del puente

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0,00041/4 = 0,5125 mV

Respuesta

Vo = 0,5125 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,8

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) = 5

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 4/5 = 0,8

Respuesta

ess = 0,8
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 7,812

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 + 10) + 5K = s² + 10s + 5K

Frecuencia natural

2·0,8·ωₙ = 10 → ωₙ = 6,25 rad/s

Ganancia

5K = ωₙ² = 39,06 → K = 7,812

Respuesta

K = 7,812
11.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,143 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 = 47 → ωₙ = 6,856 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6,856) = 0,5105

Resultado

ζωₙ = 3,5 → ts ≈ 4/3,5 = 1,143 s

Respuesta

ts = 1,143 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 0,8 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 280/(s² + 10s + 280): ωₙ = 16,73 rad/s, ζ = 0,2988

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,8 s

Respuesta

ts = 0,8 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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