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)9 N·mn0​nFL​

Un motor de corriente continua (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funciona a 48 V. A plena carga absorbe 12 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.

V = 48 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 12 A
SR = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 2 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

Un motor de corriente continua de 220 V tiene una resistencia de inducido de 2 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 20 A.

V = 220 VRa = 2 ΩImax = 20 A
Rst = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm960 rpmn2​ = ?

Una polea de 80 mm a 960 rpm acciona una polea de 200 mm mediante una correa con un 1,5 % de deslizamiento. Halla la velocidad n2 de la polea conducida.

n1 = 960 rpmd1 = 80 mmd2 = 200 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm720 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 720 rpm con una polea de 450 mm; los centros están separados 800 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 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 450 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?250 kPa2ᴺ − 10≤ 0,2 kPa

Un sensor mide presión en un rango de 250 kPa, y su salida ocupa todo el rango de entrada de un ADC. La lectura debe resolver 0,2 kPa. Halla el menor número de bits N que necesita el ADC.

rango = 250 kParesolución = 0,2 kPa
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T20 mV/°C×1∿01N = 8, 10 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 20 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 1 veces y se aplica a un ADC de 8 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 = 20 mV/°CG = 1N = 8VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−6 VR1​ = 80 ΩR2​ = 300 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 600 Ωab+−Rth​ = ?

Halla la resistencia de Thévenin Rth del puente mostrado, vista desde los terminales de salida a y b.

Vs = 6 VR1 = 80 ΩR2 = 300 ΩR3 = 300 ΩR4 = 600 Ω
Rth = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

Una galga extensométrica de 350 Ω con factor de galga 2,05 está pegada a una barra de acero. Bajo carga su resistencia aumenta 0,861 Ω. Halla la deformación ε en microdeformaciones (µε).

R = 350 ΩGF = 2,05ΔR = 0,861 Ω
ε = µε
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 2t+20s(s + 5)C(s)−

Se aplica una rampa r(t) = 2t a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 20/(s(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 20/(s(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 5/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 6 rad/s y ζ = 0,8. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,8
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 108/(s² + 8s + 54) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 108/(s² + 8s + 54)
%OS = %
12.Respuesta al escalónDifícil
+−12 VR = 63 ΩL = 50 mHC = 2 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 63 Ω, L = 50 mH y C = 2 µF se conecta a un escalón de 12 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 63 ΩL = 50 mHC = 2 µFV = 12 V
vC,max = V

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: SR = 6,667 %

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·0,75) = 611,2 rpm
nFL = 60·(48 − 12·0,25)/(2π·0,75) = 573 rpm

Regulación de velocidad

SR = (611,2 − 573)/573·100 = 6,667 %

Respuesta

SR = 6,667 %
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rst = 9 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.

Resistencia total

Ra + Rst = 220/20 = 11 Ω

Resistencia de arranque

Rst = 11 − 2 = 9 Ω

Respuesta

Rst = 9 Ω

La resistencia se va eliminando por etapas a medida que el motor acelera y crece la fuerza contraelectromotriz.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: n2 = 378,2 rpm

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.

Velocidad sin deslizamiento

960·80/200 = 384 rpm

Con deslizamiento

n2 = 384·0,985 = 378,2 rpm

Respuesta

n2 = 378,2 rpm
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 2,512 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 = 2,701 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8102 = 2,248, T₂ = 1200/2,248 = 533,7 N

Potencia

P = (1200 − 533,7)·3,77 = 2,512 kW

Respuesta

P = 2,512 kW
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 11

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

250/0,2 = 1250

Bits

log₂(1250) = 10,29
210 = 1024 < 1250 ≤ 211 = 2048
N = 11

Respuesta

N = 11
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 1,953 °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 = 10000/256 = 39,06 mV

Sensibilidad en el ADC

20·1 = 20 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 39,06/20 = 1,953 °C

Respuesta

ΔTLSB = 1,953 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 500 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Rth = 263,2 Ω

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.

Alimentación en cortocircuito

R₁∥R₂ = 80·300/380 = 63,16 Ω
R₃∥R₄ = 300·600/900 = 200 Ω

Resistencia de Thévenin

Rth = 263,2 Ω

Respuesta

Rth = 263,2 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ε = 1200 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.

Cambio relativo de resistencia

ΔR/R = 0,861/350 = 0,00246

Deformación

ε = 0,00246/2,05 = 0,0012 = 1200 µε

Respuesta

ε = 1200 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 velocidad

Kv = lim s·G(s) = 4

Error ante rampa

ess = 2/4 = 0,5

Respuesta

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

Respuesta: Kp = 1,72

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 + 1).

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,8·6s + 6² = s² + 9,6s + 36

Iguala los coeficientes

1 + 5Kp = 9,6 → Kp = 1,72

Respuesta

Kp = 1,72

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: %OS = 13,02 %

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 = 54 → ωₙ = 7,348 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,348) = 0,5443

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,039 = 13,02 %

Respuesta

%OS = 13,02 %
12.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 18,34 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (63/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,05) = 0,1992

Resultado

%OS = 52,8 %
vC,max = 12·(1 + 0,528) = 18,34 V

Respuesta

vC,max = 18,34 V

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