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.

Problemas nuevosVolver a la asignatura

En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.

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)11,25 N·mn0​nFL​

Un motor de corriente continua (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) funciona a 220 V. A plena carga absorbe 15 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.

V = 220 Vk = 0,75 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 15 A
SR = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 800 rpmT = 8 N·m

Un motor de corriente continua (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) con una alimentación fija de 110 V mueve una carga de 8 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 800 rpm.

V = 110 Vk = 0,4 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 8 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Tw​ = ?z = 2, 1440 rpm

Un motor de 3 kW a 1440 rpm acciona un tornillo sinfín de 2 entrada(s). La rueda tiene 48 dientes y la transmisión tiene un rendimiento del 60 %. Halla el par de salida Tw en el eje de la rueda.

z = 2Nw = 48n = 1440 rpmP = 3 kWη = 60%
Tw = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 40B = 45C = 12D = 30

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (40 dientes), en el eje de entrada que gira a 3000 rpm, acciona el engranaje B (45 dientes). El engranaje C (12 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (30 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 3000 rpmA = 40B = 45C = 12D = 30
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
tTs​ = 1/fs​f = 2,6 kHzfs​ = 4 kHz

Una onda senoidal de 2,6 kHz se muestrea a 4 kHz sin filtro antialiasing. ¿En qué frecuencia fa aparece en las muestras? Dala en Hz.

f = 2,6 kHzfs = 4 kHz
fa = Hz
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T1 mV/°C×1∿01N = 12, 10 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 1 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 1 veces y se aplica a un ADC de 12 bits con un rango de 0 a 10 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Halla la variación de temperatura ΔTLSB que corresponde a un LSB.

S = 1 mV/°CG = 1N = 12VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V400 Ω400 Ω + ΔR400 Ω400 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 400 Ω y Vs = 2 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 1 Ω. Con la aproximación de pequeño cambio, halla la salida Vab en mV.

Vs = 2 VR = 400 ΩΔR = 1 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Una célula de carga (un puente completo de galgas extensométricas) tiene una salida nominal de 3 mV/V a su carga nominal de 100 kg. Se excita con 10 V. Halla su salida Vo bajo una carga de 40 kg.

3 mV/VFrated = 100 kgVs = 10 VF = 40 kg
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 2 + 3t+5s(s + 4)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 2 + 3t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 5/(s(s + 4)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 5/(s(s + 4))r(t) = 2 + 3t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 504s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K = 50 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 4/(s(s + 8))K = 50
ts = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 150/(s² + 5s + 75) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 150/(s² + 5s + 75)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
k = 200 N/mc = 27 N·s/mm = 10 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 10 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 27 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 factor de amortiguamiento ζ.

m = 10 kgk = 200 N/mc = 27 N·s/mF = 100 N
ζ =

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: SR = 11,39 %

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 = 60·220/(2π·0,75) = 2801 rpm
nFL = 60·(220 − 15·1,5)/(2π·0,75) = 2515 rpm

Regulación de velocidad

SR = (2801 − 2515)/2515·100 = 11,39 %

Respuesta

SR = 11,39 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rs = 3,574 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 = 8/0,4 = 20 A
E = 0,4·83,78 = 33,51 V

Resistencia en serie

Ra + Rs = (110 − 33,51)/20 = 3,824 Ω
Rs = 3,574 Ω

Respuesta

Rs = 3,574 Ω

La resistencia disipa 1430 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tw = 286,5 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 la rueda

nw = n·z/Nw = 1440·2/48 = 60 rpm

Par de salida

ωw = 2π·60/60 = 6,283 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,6·3000/6,283 = 286,5 N·m

Respuesta

Tw = 286,5 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 1067 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 = 3000·40/45 = 2667 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 2667·12/30 = 1067 rpm

Respuesta

nout = 1067 rpm

relación total = 2,813 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fa = 1400 Hz

Muestreo: un ADC mide la señal fs veces por segundo. Según el teorema de Nyquist–Shannon, una frecuencia f se capta correctamente solo mientras f < fs/2, la frecuencia de Nyquist (de plegamiento), por lo que la frecuencia de muestreo debe superar el doble de la frecuencia más alta de la señal. Una frecuencia mayor no se pierde: aparece como un alias en fa = |f − k·fs|, con el número entero k que lleva el resultado entre 0 y fs/2. Las muestras no permiten distinguir ambas, así que un filtro antialiasing analógico debe eliminar todo lo que supera fs/2 antes del ADC.

Frecuencia de Nyquist

fs/2 = 2 kHz < f = 2,6 kHz

Múltiplo más cercano de la frecuencia de muestreo

k = round(2600/4000) = 1

Frecuencia de aliasing

fa = |2600 − 1·4000| = 1400 Hz

Respuesta

fa = 1400 Hz

La curva discontinua de la figura es el alias: pasa exactamente por las mismas muestras.

6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 2,441 °C

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 = 10000/4096 = 2,441 mV

Sensibilidad en el ADC

1·1 = 1 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 2,441/1 = 2,441 °C

Respuesta

ΔTLSB = 2,441 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 10000 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 1,25 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 = 1/400 = 0,0025

Salida linealizada

Vab ≈ 2·0,0025/4 = 1,25 mV

Respuesta

Vab = 1,25 mV

El valor exacto es 1,248 mV; la aproximación es buena mientras ΔR/R sea pequeño.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 12 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.

Salida a fondo de escala

3·10 = 30 mV

Salida con esta carga

Vo = 30·40/100 = 12 mV

Respuesta

Vo = 12 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 2,4

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) = 1,25

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 3/1,25 = 2,4

Respuesta

ess = 2,4
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ts = 1 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 + 8) + 50·4 = s² + 8s + 200

ωₙ y ζ

ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
ζ = 8/(2·14,14) = 0,2828

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

Respuesta

ts = 1 s

Aquí el tiempo de establecimiento no depende de K: aumentar K solo hace que la respuesta oscile más rápido.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,3789 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 = 75 → ωₙ = 8,66 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,66) = 0,2887

Resultado

ωd = 8,66·√(1 − 0,2887²) = 8,292 rad/s → tp = π/ωd = 0,3789 s

Respuesta

tp = 0,3789 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,3019

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) = √(200/10) = 4,472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(200·10)) = 0,3019

Resultado

ζ = 0,3019

Respuesta

ζ = 0,3019

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems