cap 1 w.bolton-mecatrónica

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Mecatrónica, automatización, Bolton, sistemas de control.

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1Mecatrnica1.1 Qu es la mecatrnica? Considere una cmara (biogrfica con enfoque y exposicin auto-mticos. Para tomar una fotografa basta con apuntar hacia el objetoy oprimir un boln. La cmara ajusta el foco y el tiempo de exposi-cin de manera automtica, de forma que el objeto queda debida-mente enfocado y con el tiempo de exposicin correcto, Considereel caso de la suspensin'inteligente" de un camin. Tiste tipo de sus-pensin se ajusta para mantener la plataforma nivelada en caso decargas distribuidas de manera desigual; tambin se ajusta cuando elcamin toma curvas cerradas y cuando va por superficies speras,etc., para mantcnerun trayecto suave Y ahora veamos el caso de unalinea de produccin automatizada, En ella se llevan a cabo diversosprocesos de produccin, todos de manera automtica, y en la forma ysecuencia correctas. La cmara automtica, la suspensin del ca-min y la linca de produccin automtica son ejemplos (le la fusinde los sistemas de control electrnico y la ingeniera mecnica.En este tipo de sistemas por lo general se emplean microprocesa-dores para el control y sensores elctricos que obtienen informacinde las entradas y salidas mecnicas, que a travs de los aetuadoresllegan a los sistemas mecnicos. El trmino meca! ron tea es usadopara describir la integracin de sistemas de control basados en mi-croprocesadores. sistemas elctricos y sistemas mecnicos. Un sis-tema mccatrnico no es simplemente la unin de sistemas elctricosy mecnicos, y es ms que un simple sistema de control: es una inte-gracin completa de lodo lo anterior.Actualmente, un el diseo de autos, robots, mquinas-herramien-ta, lavadoras, cmaras y muchos olios dispositivos, se adopta cadavez con mayor frecuencia este enfoque integrado c interdisciplinariopara el diseo en ingeniera. A fin de poder disear sistemas quesean de menor costo, ms confiables y flexibles es necesario logrardesde las primeras etapas del proceso de diseo la fusin a travs delas fronteras tradicionales de las ingenieras mecnica, elctrica,electrnica y de control. La mecatrnica adopta un enfoque concu-rrente o participulivo entre estas disciplinas en lugar del enfoque se-cuencia! tradicional del desarrollo, por ejemplo, del sistema mecni-co, luego el diseo de la parte elctrica y despus la parte delmicroprocesador.1

2 MecatrnicaEn la mecatrnica se conjuntan reas tecnolgicas relacionadascon sensores y sistemas de medicin, sistemas de mando y de accio-namiento, anlisis del comportamiento de los sistemas, sistemas decontrol y sistemas de microprocesadores. Lo anterior podra resumirel contenido de este libro. Este captulo es una introduccin al tema yen l se presentan diversos conceptos bsicos que servirn comomarco de referencia para los captulos restantes donde se presenta-rn los detalles respectivos.1.2 SistemasEntrada,energaelctricaMotorSalida,rotacinFigura 1.1 Ejemplo de un sistemaEntrada.tempe-raturaTermmetroSalida,nmero enuna escalaFigura 1.2 Ejemplo de un sistemade medicinEntrada.temperaturarequeridaestablecidoSistema decalefaccincentralSalida,temperaturaen el valorFigura 1.3 Ejemplo de un sistemade controlLa mecatrnica trabaja con lo que se conoce como sistemas. Un sis-tema puede concebirse como una caja con una entrada y una salida yde la cual no nos interesa su contenido, sino la relacin que existe en-tre la salida y la entrada. Por ejemplo, un molerse podra considerarcomo un sistema cuya entrada es la alimentacin de energa elctricay la salida es la rotacin de un eje. En la figura 1.1 se muestra la re-presentacin de un sistema de este tipo.Un sistema de medicin se podra considerar como una caja negraque se utiliza para medir. Su entrada es la magnitud que se desea me-dir y su salida es el valor correspondiente a dicha magnitud. En elcaso de un sistema de medicin de temperatura, como, un termme-tro, la entrada es la temperatura y la salida es un nmero que apareceen una escala. En la figura 1.2 se muestra la representacin del siste-ma anterior.Un sistema de control puede considerarse como una caja negraque sirve para controlar la salida de un valor o secuencia de valoresdeterminados. Por ejemplo, la entrada de un sistema de control decalefaccin central domstica correspondera al valor de la tempera-tura que se desea tener en el interior de una casa; su salida seria man-tener la casa a esa temperatura; es decir, se fija en el termostato o enel controlador el valor de la temperatura deseada y el homo de cale-faccin se ajusta de modo que el agua bombeada a travs de los ra-diadores produzca la temperatura deseada en la casa. La figura 1.3 esuna representacin de este sistema.1.3 Sistemas de medicinEn general, puede decirse que los sistemas de medicin estn forma-dos por tres elementos (como se muestra en la figura 1.4):1. Un sensor, el cual responde a la cantidad que se mide, dandocomo salida una seal relacionada con dicha cantidad. Un ter-mopar es un ejemplo de sensor de temperatura. Su entrada esuna temperatura y su salida es una f.e.m. (fuerza electromotriz),la cual se relaciona con el valor de la temperatura respectiva.Cantidad

Figura 1.4 Un sistema de mediciny los elementos que lo forman

1.4 Sistemas de control 32. Un acondicionador de seal, el cual toma la seal del sensor y lamanipula para convertirla a una forma adecuada para su presen-tacin visual o, como en el caso de un sistema de control, paraque ejerza una accin de control. Por ejemplo, la salida que pro-duce un termopar es una f.e.m. tan pequea, que debe alimentar-se a travs de un amplificador para obtener una seal mayor. Elamplificador es el acondicionador de la seal.3. Un sistema de presentacin visual (pantalla o display), es dondese despliega la salida producida por el acondicionador de seal.Por ejemplo, una aguja que se mueve a travs de una escala, obien una lectura digital.Considere el ejemplo de un termmetro digital. En la entrada hayun sensor de temperatura, tal vez un diodo semiconductor. La dife-rencia de potencial en el sensor, a corriente constante, representa unamedida de la temperatura. Mediante un amplificador operacional, seamplifica la diferencia de potencial y se obtiene un voltaje con elcual se puede operar directamente una pantalla. Tanto el sensorcomo el amplificador operacional pueden estar instalados en el mis-mo chip de silicio.En el captulo 2 se presenta el tema de los sensores y en el captulo3 el de los acondicionadores de seal. En el captulo 4 se abordan lossistemas de medicin tomando en cuenta todos sus elementos. Paramayor informacin sobre los sistemas de medicin, se sugiere al lec-tor consultar textos ms especializados sobre ste tema; por ejem-plo, Instrumentation Reference Book, publicado por B.E. Noltingk(Butterworth-Heinemann, 1995), Measurement and Instrumenta-tion Systems, por W. Bolton (Newnes, 1996) o Newnes Instrumenta-tion and Measurement, por W. Bolton (Newnes, 1991, 1996).1.4 Sistemas de controlTemperaturarequeridaSistema decontrol detemperaturadel cuerpoTemperaturadel cuerpo-Retroalimentacin de datossobre la temperatura realFigural.5 Control porretroalimentacin de temperaturaA menos que est enfermo, la temperatura del cuerpo humano escasi constante, independientemente de que se encuentre en un am-biente fro o caliente. Para poder mantener este valor de temperaturaconstante, el cuerpo cuenta con un sistema de control de temperatu-ra. Si la temperatura del cuerpo empieza a rebasar el valor normal,suda; si disminuye, tiene escalofros. Ambos mecanismos sirvenpara restaurar la temperatura a su valor normal. El sistema de controlmantiene constante la temperatura. Este sistema recibe una entradaenviada por sensores que le dicen cul es la temperatura y comparaestos datos con el valor que debe tener; a continuacin produce larespuesta adecuada a fin de lograr la temperatura requerida. El ante-rior es un ejemplo de control por retroalimentacin; las seales desalida regresan como entrada para modificar la reaccin del cuerpo afin de restaurar la temperatura a su valor normal. En un control porretroalimentacin, el sistema de control compara la salida real re-troalimcntada con el valor que se requiere y ajusta su salida de acuer-do con el resultado. En la figura 1.5 se ilustra este sistema de controlpor retroalimentacin.

4Meca irnicaTemperaturaTemperaturaambienterequeridaHorno y sistemade controlRetroalimentacin dedatos de la temperatura realFigura 1.6 Control porretroalimentacin de la temperaturaambientePosicinrequeridade la manoLa manoavanzandohacia ellpizSistema decontrol parala posicin ymovimientode la manoRetroalimentacin dedatos sobre la posicinFigura 1.7 Control porretroalimentacin para tomar unlpiz.Una manera de controlar la temperatura de una casa con calefac-cin central seria que una persona con un termmetro estuviera cer-ca del interruptor de apagado/encendido del homo de calefaccin yencendiera o apagara el intermptor, dependiendo del resultado de lalectura del termmetro. La anterior es una forma burda de controlpor retroalimentacin, con un ser humano como elemento de con-trol. El trmino retroalimentacin se usa porque las seales se re-troalimentan desde la salida para modificar la entrada. El sistema decontrol por retroalimentacin ms comn tiene un termostato o con-trolador, el cual automticamente enciende o apaga el homo, segnla diferencia entre la temperatura predeterminada y la temperaturareal (figura 1.6). Este sistema de control permite mantener una tem-peratura constante.Si alguien desea tomar un lpiz que est sobre una banca, debe re-currir a un sistema de control para garantizar que la mano llegue has-ta el lpiz y lo tome. Para ello, la persona observa la posicin de sumano en relacin con el lpiz, hace los ajustes necesarios de posi-cin al moverla hacia el lpiz. Se tiene una retroalimentacin de in-formacin relativa a la posicin real de la mano, para poder modifi-car sus reacciones y lograr los movimientos y posicin de la manorequeridos (figura 1.7). Mediante este sistema de control se regula laposicin y el movimiento de la mano.Los sistemas de control por retroalimentacin estn presentes entodas partes, no slo en la naturaleza y el hogar, sino tambin en laindustria. Son muchos los procesos y mquinas industriales que re-quieren control, ya sea humano o automtico. Por ejemplo, existenprocesos en donde la temperatura, el nivel de un lquido, el flujo defluidos, la presin, etctera, se mantienen constantes. Hay procesosqumicos en los que es necesario mantener el lquido de un tanque aun nivel o temperatura determinados. Existen sistemas de control enlos que es necesario colocar en cierta posicin una parte mvil, demanera precisa y constante, o bien mantener una velocidad constan-te. Seria el caso, de un motor diseado para funcionar a velocidadconstante; o de una operacin de maquinado, en la cual la posicin,velocidad y operacin de una herramienta se controlan de maneraautomtica.1.4.1 Sistemas en lazo cerrado y lazo abiertoExisten dos tipos bsicos de sistema de control: el de lazo abierto ye! de lazo cerrado. La diferencia entre ellos se ilustrar con unejemplo sencillo. Considere un calentador elctrico que cuenta conun interruptor que permite elegir entre un elemento de calefaccinde 1 kW o de 2 kW. Si una persona utilizara el elemento de calefac-cin para calentar una habitacin, bastara con poner el interruptoren la posicin de 1 kW si no desea una temperatura muy elevada. Lahabitacin se calentar y alcanzar una temperatura definida slopor la eleccin del elemento de 1 kW, no el de 2 kW. Si se producencambios en las condiciones, quizs si alguien abre una ventana, nohay forma de ajustar el calor para compensar el fri. ste es unejemplo de control en lazo abierto, ya que no se retroalimenta la in-

1.4 Sistemas de control 5formacin al elemento para ajustarlo y mantenerlos a una tempera-tura constante. El sistema de calefaccin y su elemento calefactor sepueden convertir en un sistema de ciclo cerrado si la persona quetiene el termmetro enciende y apaga los elementos de 1 kW y 2 kW,dependiendo de la diferencia entre la temperatura real y la tempera-tura deseada para mantener constante la temperatura de la habita-cin. En este caso existe una retroalimentacin, la entrada del sis-tema se ajusta segn si su salida corresponde a la temperaturarequerida. Esto significa que la entrada del interruptor depende de ladesviacin de la temperatura real respecto a la temperatura deseada;la diferencia entre ambas se obtiene mediante un elemento de com-paracin, que en este caso es la persona. En la figura 1.8 se ilustranambos sistemas.Para ilustrar an ms las diferencias entre los sistemas en lazoabierto y cerrado, considere un motor. Con un sistema en lazo abier-to, la velocidad de rotacin del eje est determinada slo por el ajus-te inicial de una perilla que afecta el voltaje aplicado al motor. Cual-quier cambio en el voltaje de la alimentacin, o en las caractersticasdel motor como consecuencia de cambios en la temperatura, o bienen la carga del eje, cambiar su velocidad, pero sin compensar dichocambio. No existe retroalimentacin. En el caso de un sistema enlazo cerrado, el ajuste inicial de la perilla de control corresponde acierta velocidad del eje, que se mantendr constante mediante la re-troalimentacin, independientemente de los cambios en el voltaje dealimentacin, las caractersticas del motor o la carga. En un sistemaen lazo abierto, la salida del sistema no tiene efecto en la seal de en-trada. En un sistema de control en lazo cerrado, la salida s tieneefecto en la seal de entrada, modificndola para mantener la sealde salida en el valor requerido.Los sistemas en lazo abierto tienen la ventaja de ser relativamentesencillos, por lo que su costo es bajo y en general su confiabilidad esbuena. Sin embargo, con frecuencia son imprecisos ya que no haycorreccin de errores. Los sistemas en lazo cen ado tienen la ventajade ser bastante precisos para igualar el valor real y el deseado. Peroson ms complejos y, por lo tanto, ms costosos y con mayor proba-Entrada,InterruptorCalentadorSalida,

decisin deencender oAlimenta-clonelctricocambio detemperatura

apagarelctricaElemento dea)comparacinFigura 1.8 Calefaccin de unahabitacin: a) sistema en lazo abierto;b) sistema en lazo cerrado

b)

6 MecatrnicaElemento de

Figura 1.9 Elementos de un sistemade control en lazo cerradobilidad de descomposturas debido a la mayor cantidad de compo-nentes.1.4.2 Elementos bsicos de un sistema en lazo cerradoEn la figura l .9 se muestra la configuracin general de un sistemabsico en lazo cerrado. Consta de los siguientes elementos:1. Elemento de comparacinCompara el valor deseado o de referencia de la condicin varia-ble que se controla con el valor medido de lo que se produce ygenera una seal de error. Se le puede considerar como un suma-dor que aade la seal de referencia, positiva, a la seal del valormedido, que en este caso es negativa:Seal de error = seal del valor de referencia-seal del valor medidoEn general, el smbolo utilizado para representar un elemento enel que se suman las seales es un crculo dividido; cada entra-da va a un segmento. Como todas las entradas se suman, la entra-da de la retroalinentacin se indica como negativa y la seal dereferencia como positiva, de manera que la suma da la diferenciaentre las seales. Un ciclo cerrado es el medio por el cual una se-al relacionada con la condicin real producida se retroalimentapara modificar la seal de entrada de un proceso. Se dice quela retroalimentacin es una relroaliinentacin negativa cuandola seal que se retroalimenta se resta al valor de entrada. Paracontrolar un sistema se requiere la retroalimentacin negativa.La retroalimentacin positiva se presenta cuando la rctroali-mentacin de la seal se suma a la seal de entrada.2. Elemento de controlEn cuanto recibe una seal de error, el elemento de control deci-de qu accin llevar a cabo. Podra tratarse, por ejemplo, de unaseal para accionar un interruptor o abrir una vlvula. El plan decontrol que aplica el elemento podra consistir en entregar unaseal que encienda o apague un dispositivo al producirse unerror, como en el caso del termostato de una habitacin; o quizuna seal que abra o cierre proporcionalmente una vlvula, deacuerdo con la magnitud del error. Las acciones de control pue-

1.4 Sistemas de control 7den ser sistemas alambrados, en cuyo caso la accin de controlse define de manera permanente por la conexin entre los ele-mentos; o bien, pueden ser sistemas programables, donde el al-goritmo de control se almacena en una unidad de memoria y sepuede modificar con una reprogramacin. En el capitulo 11se estudian los controladores.3. Elemento de correccinEl elemento de correccin produce un cambio en el proceso a finde corregir o modi ficar la condicin controlada. Puede ser un in-terruptor que enciende un calentador para aumentar la tempera-tura de un proceso, o una vlvula que al abrirse permite la entra-da de un mayor volumen de lquido al proceso. El trminoactuador designa al elemento de una unidad de correccin queproporciona la energa para realizar la accin de control. Loselementos de correccin se tratan en los captulos 5 y 6.4. Elemento de procesoEl proceso es aquello que se est controlando. Puede tratarse dela habitacin de una casa cuya temperatura se controla, o biende un tanque con agua cuyo nivel se controla.5. Elemento de medicinEl elemento de medicin produce una seal relacionada con elestado de la variable del proceso que se controla. Podra tratarsede un interruptor que se enciende cuando se alcanza determina-da posicin, o bien de un termopar que produce una f.e.m. rela-cionada con la temperatura.En el caso del sistema en lazo cerrado de la figura 1.8, para unapersona que controla la temperatura de una habitacin, los elemen-tos del sistema son:Variable controladaValor de referenciaElemento decomparacinSeal de errorUnidad de controlUnidad de correccinProcesoDispositivo de medicin temperatura de la habitacin temperatura deseada de la habitacin persona que compara el valor medido yel valor de temperatura deseado diferencia entre las temperaturas medi-da y deseada persona interruptor del calentador calentamiento mediante un calentador termmetroEn un sistema de control automtico para controlar la temperatura deuna habitacin se puede usar un sensor de temperatura que, despusde acondicionar debidamente la seal, alimenta una seal elctrica ala entrada de una computadora donde compara con un valor predefi-nido y se genera una seal de error. La computadora toma en cuenta

8 MecatrnicaFlotador

Figura 1.10 Control automticodel nivel del agualo anterior y a su salida produce una seal; despus de acondicionar-la, la seal se puede usar para controlar un calentador y, por ende, latemperatura de la habitacin. Es fcil programar un sistema comoeste para obtener temperaturas diferentes a diversas horas del da.En la figura 1.10 se muestra un ejemplo de un sistema de controlsencillo que sirve para mantener constante el nivel del agua en untanque. El valor de referencia es el ajuste inicial del brazo de la pa-lanca, de manera que interrumpa el suministro de agua justo en el ni-vel deseado. Al salir el agua del tanque, el flotador se desplaza haciaabajo, junto con el nivel del agua. Esto provocad giro de la palanca,y permite la entrada de agua. El flujo contina hasta que el flotadorsube al punto en que la palanca impide la entrada de ms agua. Setrata de un sistema en lazo cerrado cuyos elementos son:Variable controladaValor de referenciaElemento decomparacinSeal de errorUnidad de controlUnidad de correccinProcesoDispositivo de medicin nivel del agua en el tanque ajuste inicial del flotador y posicin dela palanca la palanca diferencia entre el valor real y la posi-cin inicial de la palanca palanca con pivote tapadera con la que abre o cierra elpaso del agua nivel del agua en el tanque flotador y palancaste es un ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado conslo elementos mecnicos. Tambin habra sido posible controlar elnivel del lquido con un sistema de control electrnico. En este caso,se tendra un sensor de nivel para producir una seal elctrica queservira, despus de un acondicionamiento adecuado, como entradaa una computadora donde se compara con la seal correspondienteal valor predeterminado; la diferencia sera la seal de error, la cualse utiliza para dar la respuesta de la salida de la computadora. sta,despus de acondicionarla, se usa para controlar el movimiento deun actuador en la vlvula de control de flujo y determinar la cantidadde agua que se deja entrar al tanque.En la figura 1.11 se muestra un sistema de control automticosencillo para la velocidad de rotacin de un eje. Mediante un poten-cimetro se fija el valor de referencia, es decir, el voltaje que se ali-menta al amplificador diferencial y que sirve como valor de referen-cia de la velocidad de rotacin deseada. El amplificador diferencialse usa para comparar y amplificar los valores de referencia y de re-troalimentacin, es decir, amplifica la sea! de error. sta seal am-plificada se enva a un motor, que a su vez ajusta la velocidad del ejegiratorio.

1.4 Sistemas de control 9

Figura 1.11 Control de la velocidaddel ejeLa velocidad del eje giratorio se mide utilizando un tacogenera-dor, conectado al eje giratorio mediante un par de engranes cnicos.La seal del tacogcnerador se retroalimenta al amplificador diferen-cial.1.4.3 Controladores secuencialesExisten diversas situaciones en las que el control se ejerce medianteelementos que se encienden o apagan a tiempos o valores fijos paracontrolar los procesos y producir una secuencia escalonada de ope-raciones. Por ejemplo, una vez concluido el paso 1, se inicia el paso2; cuando ste concluye, se inicia el paso 3, y as sucesivamente.El trmino control secuencial se usa cuando las acciones de con-trol estn ordenadas estrictamente de acuerdo con una secuencia de-finida por el tiempo o por los eventos. Un control como el anterior seobtiene mediante un circuito elctrico que cuenta con grupos de rele-vadores o de interruptores operados por levas, los cuales se conectande manera que se produzca la secuencia deseada. F.n la actualidad esprobable que este tipo de circuitos se reemplacen por un sistemacontrolado por un microprocesador y con una secuencia controladapor un programa de software.Como ejemplo de control secuencial considere las lavadoras deropa. stas llevan a cabo diversas operaciones en la secuencia co-rrecta. Entre ellas est un ciclo de prelavado, cuando las prendas quese encuentran dentro del tambor se prelavan con agua fra; a conti-nuacin se realiza el ciclo de lavado principal con agua caliente; si-gue un ciclo de enjuague que emplea varias veces agua fra; por lti-

10 Mecatnicamo el ciclo de exprimido, en el cual se elimina el agua de lasprendas. Cada una de las operaciones consta de varios pasos. Porejemplo, durante el ciclo de prelavado se abre una vlvula para lle-nar con agua el tambor hasta un nivel deseado, se cierra la vlvula, seenciende el motor del tambor y gira durante un cierto tiempo, luegose activa la bomba para vaciar el tambor de agua. La secuencia deoperacin se llama programa. La secuencia de instrucciones de cadaprograma est predefinida e integrada al controlador.En la figura 1.12 se muestra el sistema bsico de una lavadora deropa, que da una idea general de los elementos que lo constituyen. Elsistema que sola emplearse como controlador de la lavadora era unsistema mecnico que empleaba un grupo de interruptores operadospor levas, es decir, interruptores mecnicos. En la figura 1.13 semuestra el principio bsico de este tipo de interruptores. Al encenderla lavadora comienza a girar lentamente el eje de un pequeo motor,con una rotacin proporcional al tiempo. Dicha rotacin hace girarlas levas del controlador que a su vez presionan interruptores elctri-cos y encienden los circuitos en la secuencia correcta. El perfil de laleva determina el momento en el que opera un interruptor. Es decir,los perfiles de las levas son los medios a travs de los cuales se espe-cifica y guarda el programa en la lavadora. La secuencia de instruc-ciones y las instrucciones utilizadas en un programa de lavado enparticular estn definidas por el grupo de levas elegido. En las lava-doras modernas, el controlador es un microprocesador y el programano se obtiene con la posicin mecnica de las levas, sino medianteun programa de software.Entradas

Retroalimentacin de las salidas del nivel del agua, temperatura del agua, velocidad del tambor y puerta cerradaFigura 1.12 Sistema de una lavadora

1.5 Controladores basados en un microprocesador 11Un perfil

El giro de la leva cierra loscontactos del interruptorFigura 1.13 Interruptor operadopor levasDurante el ciclo de prelavado una vlvula elctrica se abre alaplicar una corriente y se cierra cuando cesa la corriente. Esta vlvu-la acepta la entrada de agua fra en el tambor durante un lapso deter-minado por el perfil de la leva, o por la salida del microprocesadorutilizado para operar el interruptor. Sin embargo, como el requisitoes un nivel especfico de agua en el tambor de la lavadora, se necesi-ta otro mecanismo que impida que el agua siga llegando al tambor,durante el tiempo permitido y una vez que se alcanza el nivel reque-rido. Un sensor produce una seal cuando el nivel del agua llega alnivel preestablecido y produce una salida en el microprocesador quese utiliza para interrumpir el paso de corriente a la vlvula. En elcaso de la vlvula controlada por levas, el sensor acciona un inte-rruptor, que cierra la vlvula por la que llega el agua al tambor de lalavadora. Una vez concluido lo anterior, el microprocesador, o elgiro de las levas, activa una bomba para vaciar el tambor.Durante el ciclo de lavado principal, el microprocesador produceuna salida, que inicia una vez concluida la parte del prelavado delprograma; en el caso del sistema que funciona por leva, sta tiene unperfil tal que empieza a operar cuando termina el ciclo de prelavado.Activa una corriente en un circuito para abrir una vlvula que dejaentrar agua fria en el tambor. Se detecta este nivel y se interrumpe elpaso del agua al alcanzar el nivel requerido. A continuacin, el mi-croprocesador o las levas proporcionan una corriente que sirve paraactivar un interruptor que suministra una corriente mayor a un calen-tador elctrico para calentar el agua. Un sensor de temperatura inte-rrumpe la corriente una vez que la temperatura del agua llega al valorpredefinido. El microprocesador o las levas, encienden el motor deltambor y se inicia la rotacin. Esto contina durante el tiempo deter-minado por el microprocesador o por el perfil de la leva, y despus seapaga el motor. A continuacin, el microprocesador o una leva, ali-mentan una corriente en una bomba de descarga para vaciar el aguadel tambor.La parte del enjuague de esta operacin es una secuencia de sea-les para abrir vlvulas que permiten la entrada de agua fra en la la-vadora, interrumpen esta entrada, activan el motor para que gire eltambor, activan una bomba para vaciar el agua del tambor y repitenesta secuencia varias veces.La parte final de la operacin es cuando el microprocesador, ouna leva, activa el motor a una velocidad mayor que en el caso delenjuague, para exprimir las prendas.1.5 Controladores basadosActualmente, los microprocesadores reemplazan rpidamente a losen un microprocesadorcontroladores operados por leva y se utilizan en general para realizarfunciones de control. Ofrecen la ventaja de que mediante su uso esfactible emplear una gran variedad de programas. Muchos sistemassencillos cuentan slo con un microcontrolador integrado, el cual esun microprocesador con memoria y todo integrado en un chip espe-cficamente programado para llevar a cabo la tarea en cuestin. Unaopcin ms adaptable es el controlador lgicoprogramable. Se trata

12 MecatrnicaPrograma de controlEntradas1fSalidas

A ^Controladork P

B k

C \ R

D ^ s

Figura 1.14 Conti olador lgicoprogramable (PLC)de un controlador basado en un microprocesador en el que se utilizauna memoria programable para guardar instrucciones y para implan-tar funciones de lgica, secuencia, teinporizacin y aritmtica paracontrolar eventos, y puede reprogramarse para realizar diversas ta-reas. En la figura 1. 14 se muestran las acciones de control de un con-trolador lgico programable; las entradas pueden ser seales, diga-mos, de interruptores que se cierran y el programa empleado paradeterminar cmo debe responder el controlador a las entradas y cules la salida que ha de producir.Los siguientes ejemplos de sistemas de control ilustran el hechode que los sistemas basados en un microprocesador no slo han sidocapaces de llevar a cabo tareas que antes eran mecnicas, sino quetambin pueden realizar tarcas que no eran fciles de automatizar.1.5.1 Cmara automticaLas cmaras modernas por lo general cuentan con funciones automlicas de enfoque y tiempo de exposicin. En la figura I.I5 se ilus-tran las caractersticas bsicas de un sistema basado en un micropro-cesador que sirve para controlar el foco y el tiempo de exposicin.

de una cmara automticael visorPara avanzarla pelculaAduadorpara abrir elobluradorAcluadoipara cerrar elobturadorMolor apasosCuando se opera el interruptor para activar el sistema y la cmaraapunta al objeto que se va a fotografiar, el microprocesador loma laentrada producida por el sensor de distancia y enva una salida alcontrolador de posicin de la lente a fin de desplazarla hasta lograr elenfoque necesario. La posicin de la lente se retroalimenta al micro-procesador, de manera que la seal de retroal i mentacin se utilizapara modificar la posicin de la lente de acuerdo con la entrada rcci-

1.5 Controladores basados en un microprocesador 13bida del sensor de distancia. El sensor de luz entrega una entrada almicroprocesador que, a su vez, produce una salida para determinar,en caso de que el fotgrafo haya seleccionado el modo de control porobturador en vez del modo de control por apertura, el tiempo que elobturador permanecer abierto. Una vez tomada la fotografa, el mi-croprocesador entrega su salida a un controlador de motor paraavanzar la pelcula y la cmara quede lista para la siguiente toma.El programa del microprocesador consta de varios pasos donde elmicroprocesador toma decisiones sencillas de la forma: existe o nouna seal de entrada en una lnea de entrada determinada; existe ono una seal de salida en una lnea de salida determinada. Las deci-siones tomadas son decisiones lgicas, y las seales de entrada y sa-lida tienen valores altos o bajos para producir los estados encenddo-apagado. Algunos de los pasos del programa utilizado para lacmara automtica tendran la siguiente forma:iniciosi la verificacin de la batera da un resultado afirmativoentonces continuarde lo contrario, detenersecicloleer la entrada del sensor de distanciacalcular el movimiento de la lenteseal de salida alimentada al control de posicin dela lentedatos de entrada producidos por el codificador deposicin de la lentecomparar la salida calculada con la salida realinterrumpir la salida en cuanto la lente este en posicincorrectaenviar una seal en foco al visoretctera1.5.2 Sistema de mando de un motorEl sistema de mando del motor de un automvil tiene a su cargo elcontrol de las necesidades de encendido y abastecimiento de com-bustible de dicho motor. En el caso de una mquina de combustininterna de cuatro tiempos hay varios cilindros, cada uno tiene un pis-tn conectado a un eje de cigeal comn y cada uno lleva a cabouna secuencia de operaciones de cuatro pasos (figura 1. 16).Cuando el pistn desciende, se abre una vlvula y entra al cilindrola mezcla de aire y combustible. Cuando el pistn sube, la vlvula seciea y se comprime la mezcla de aire-combustible. Cuando el pis-tn est cerca de la parte superior del cilindro, una buja enciende lamezcla y se produce la expansin de los gases calientes. Esta expan-sin da lugar a que el pistn baje otra vez y el ciclo se repita. Los pis-tones de cada cilindro estn unidos a un eje de cigeal comn y sustiempos de trabajo son distintos, de manera que siempre hay energapara hacer girar el eje del cigeal.

14 MecatrnicaLa vlvula se acrepara la admisinde la mezclayare-combustibleyEKPistntTtEje dela leva.VMezcla aire-combustible-H->

Tiempo de admisinTiempo de la compresin/ILa vlvula seabre para quen a_Jx salgan losTiempo de trabajoX-M-Jgases deescapeTiempo de escapeFigura 1.16 Secuencia de cuatro tiemposVelocidaddel motorPosicin deleje delcigealRetroalimentacindel tiempo deencendidoT emperaturadel motorPosicin delacelerador degasolinaFlujo msicode aireTiempode la bujaSolenoidepara lamezclaaire-combustibleVlvula deinyeccindecombustibleMicroprocesadorFigura 1.17 Elementos deun sistema de mando de unmotorLa potencia y la velocidad del motor se controlan mediante la va-riacin del tiempo del encendido y de la mezcla aire-combustible.En los motores de los autos modernos esto lo hace un microprocesa-dor. En la figura 1.17 se muestran los elementos bsicos del sistemade control de microprocesador. Durante el tiempo de encendido, eleje del cigeal acciona un distribuidor que hace contactos elctri-cos por cada buja, por turno y en una rueda de temporizacin. Estagenera impulsos que indican la posicin del eje del cigeal. Des-pus, el microprocesador ajusta el tiempo en el que los impulsos dealto voltaje se envan al distribuidor para que se produzcan en losmomentos correctos. Para controlar la cantidad de la mezcla deaire-combustible que entra a un cilindro durante los tiempos de ad-misin, el microprocesador vara el tiempo de la activacin de un so-lenoide para que abra la vlvula de admisin con base en las entradasrecibidas de la temperatura del motor y la posicin del acelerador degasolina. La cantidad de combustible que se debe inyectar a la co-rriente de aire se determina por la entrada de un sensor que mide elgasto msico del flujo de aire, o bien se calcula a partir de otras me-diciones; a continuacin, el microprocesador produce una salida quecontrola una vlvula de inyeccin de combustible.La anterior es una ilustracin muy simplificada del mando de unmotor; para mayores detalles se recomienda al lector consultartextos como Automobile Elctrica! and Electronic Systems de T.Dentn (Arnold, 1995), o bien hojas de especificaciones de los fabri-cantes.1.6 Enfoque de laLa lavadora de ropa mencionada en este captulo, que usa interrupto-mecatrnicares operados por levas para el control del ciclo de lavado ya es obso-leta. Estos interruptores mecnicos se han reemplazado por micro-procesadores. Puede considerarse que un microprocesador es enesencia un conjunto de compuertas lgicas y elementos de memoriaque no estn instalados como componentes independientes, sino que

Problemas 15sus funciones lgicas se implantan mediante software. Se puedeconsiderar a la lavadora controlada mediante microprocesador comoun ejemplo del enfoque adoptado por la mecatrnica, ya que un sis-tema mecnico se ha integrado a controles electrnicos. De esta ma-nera, un voluminoso sistema mecnico se reemplaza por un sistemade microprocesador mucho ms compacto, fcil de ajustar para pro-ducir una mayor variedad de programas.1.6.1 En conclusinEn la mecatrnica se conjuntan diversas tecnologas; ingenierasmecnica, electrnica, elctrica, de cmputo y de control. Podra de-cirse que es un conjunto de tcnicas de control digital basadas encomputadoras, a travs de interfaces electrnicas y elctricas, apli-cadas a problemas de ingeniera mecnica. La mecatrnica ofrece laoportunidad de ver los problemas desde una perspectiva diferente,donde los ingenieros mecnicos no se limitan a considerar un pro-blema slo en trminos de principios mecnicos, sino tambin enfuncin de una gama de tecnologas. La electrnica y dems tecno-logas no deben considerarse como partes agregadas al equipo y ele-mentos mecnicos. Desde la fase del diseo es necesario adoptar unenfoque mecatrnico. Es necesario repensar por completo las nece-sidades en trminos de lo que se espera de cada elemento.Son muchas las aplicaciones de la mecatrnica en los productosde fabricacin en masa que se utilizan en el hogar. Los controladoresbasados en microprocesadores estn presentes en las lavadoras, la-vavajillas, hornos de microondas, cmaras, cmaras de video, relo-jes, sistemas de videograbacin y de sonido de alta fidelidad, contro-les para calefaccin central, mquinas para coser, etctera. Se lesencuentran tambin en los automviles, en las suspensiones activas,los frenos antiderrapantes, el control del motor, la cartula del od-metro, la transmisin, etctera.Una aplicacin de mayor escala de la mecatrnica es el sistema deingeniera de manufactura flexible (SMF), que incluye mquinascontroladas por computadora, robots, sistema de manejo de materia-les automtico y control de supervisin general.Problemasi.Identifique el sensor, el acondicionador de seal y el display enel caso de: (a) un tennmetro de mercurio, (b) un manmetroBourdn.

2.Explique cul es la diferencia entre un control en lazo abierto yuno en lazo cerrado.

3.Identifique los elementos que podran estar presentes en un sis-tema de control de un calentador elctrico controlado por un

termostato.

4.El sistema de control automtico de la temperatura de un baode lquido consiste en un voltaje de referencia que se alimenta aun amplificador diferencial. ste se conecta a un relevador, elcual enciende o apaga la alimentacin elctrica de un calenta-dor que se encuentra en el lquido. La rctroalimcntacin negati-

16 Mecatrnicava se obtiene mediante un sistema de medicin, que alimentaun voltaje al amplificador diferencial. Dibuje un diagramade bloques del sistema y explique cmo se produce la seal deerror.5. Explique la funcin de un controlador lgico programable.6. Explique qu se entiende por control secuencia! y ejemplifiquesu respuesta.7. Indique los pasos que deben integrar el control secuencial deuna lavavajillas.8. Compare el diseo tradicional de un reloj con el diseo meca-trnico del mismo producto que incluye un microprocesador.9. Compare el sistema de control del sistema de calefaccin cen-tral domstica cuando se utiliza un termostato bimetlico ycuando se utiliza un microprocesador.