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
+−48 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 20 A de una alimentación de 48 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 34 W. Halla su rendimiento η.

V = 48 VIa = 20 ARa = 0,25 ΩProt = 34 W
η = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−120 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 500 rpmT = 9,6 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) desde un bus de continua de 120 V. La tensión media del inducido es D·120 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 500 rpm con una carga de 9,6 N·m.

Vdc = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1 ΩT = 9,6 N·mn = 500 rpm
D = %
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 20N2​ = 32

Un motor de 15 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 15 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 32η = 95%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 40B = 45C = 20D = 24

Un motor de 1,5 kW a 960 rpm acciona la rueda A (40 dientes), que engrana con la rueda B (45 dientes). La rueda C (20 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (24 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.

P = 1,5 kWnin = 960 rpmA = 40B = 45C = 20D = 24ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 14VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Halla la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR de un ADC de 14 bits para una onda senoidal a fondo de escala.

N = 14
SQNR = dB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​1 MHz / (16·D)

Un microcontrolador con un reloj de 1 MHz fija su tasa de baudios de la UART como fclk/(16·D), con D un número entero redondeado al valor más cercano. El objetivo es 2400 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).

fclk = 1 MHzobjetivo = 2400 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 VR1​ = 10 ΩR2​ = 500 ΩR3​ = 1000 ΩR4​ = 150 ΩabGRg​ = 200 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 200 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 2 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.

Vs = 2 VR1 = 10 ΩR2 = 500 ΩR3 = 1000 ΩR4 = 150 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1,325 mV

Una galga extensométrica (GF = 2,12) sobre un elemento con E = 110 GPa forma un cuarto de puente excitado con 5 V. La salida marca 1,325 mV. Halla la tensión axial σ en MPa.

Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 1,325 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 10·t²/2+2(s + 2)s²(s + 2)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 10·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) = 10·t²/2
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 4/(s + 2) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 2 rad/s y ζ = 1. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 2 rad/sζ = 1
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 156/(s² + 4s + 52) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 156/(s² + 4s + 52)
ωn = rad/s
12.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s15 %

La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 15 %, y el primer pico ocurre en t = 0,25 s. Halla la frecuencia natural ωn.

%OS = 15 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 86,04 %

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 = 48·20 = 960 W
Pdev = 43·20 = 860 W
Pout = 860 − 34 = 826 W

Rendimiento

η = 826/960·100 = 86,04 %

Respuesta

η = 86,04 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 59,03 %

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 = 1,2·52,36 + 8·1 = 70,83 V

Ciclo de trabajo

D = 70,83/120 = 59,03 %

Respuesta

D = 59,03 %
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 75,08 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 = 15000/303,7 = 49,39 N·m

Par de salida

T2 = 49,39·32/20·0,95 = 75,08 N·m

Respuesta

T2 = 75,08 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 18,95 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 = 960·(40/45)·(20/24) = 711,1 rpm
ωout = 2π·711,1/60 = 74,47 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 1500·0,97² = 1411 W
Tout = Pout/ωout = 1411/74,47 = 18,95 N·m

Respuesta

Tout = 18,95 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: SQNR = 86,04 dB

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.

SQNR ideal

SQNR = 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB

Respuesta

SQNR = 86,04 dB
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: e = 0,1603 %

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.

Divisor

D = 1·10⁶/(16·2400) = 26,04 → 26

Tasa de baudios real

1·10⁶/(16·26) = 2404 Bd

Error

(2404 − 2400)/2400·100 = 0,1603 %

Respuesta

e = 0,1603 %

Un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = 4996 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 = 2·(500/510 − 150/1150) = 1,7 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 140,2 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = 1,7/(140,2 + 200) = 4996 µA

Respuesta

Ig = 4996 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: σ = 55 MPa

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.

Deformación

ε = 4·0,001325/(5·2,12) = 0,0005

Tensión

σ = 110·10³ MPa·0,0005 = 55 MPa

Respuesta

σ = 55 MPa
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 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 = 10/2 = 5

Respuesta

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

Respuesta: Kp = 0,5

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 + 2).

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·1·2s + 2² = s² + 4s + 4

Iguala los coeficientes

2 + 4Kp = 4 → Kp = 0,5

Respuesta

Kp = 0,5

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 = 7,211 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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,211) = 0,2774

Resultado

ωₙ = 7,211 rad/s

Respuesta

ωn = 7,211 rad/s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 14,68 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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Frecuencia natural

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,856 = 14,68 rad/s

Respuesta

ωn = 14,68 rad/s

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