3. Integración en Sistemas Mecatrónicos

3.1 Metodología para la solución de problemas de Ingeniería.


La resolución de problemas es una parte clave de los cursos de
ingeniería, y también de los de ciencias de la computación, matemáticas,
físicas y química. Por lo tanto, es importante tener una estrategia
consistente para resolver los problemas. También es conveniente que la
estrategia sea lo bastante general como para funcionar en todas estas
áreas distintas.

La metodología para resolver problemas que usaremos tiene cinco pasos.
1. Plantear el problema claramente.
2. Describir la información de entrada y salida.
3. Resolver el problema a mano (o con una calculadora) para un
conjunto de datos sencillo.
4. Solución
5. Probar el programa con diversos datos.

Analizaremos cada uno de estos pasos con un ejemplo sencillo.
“Suponga que hemos recabado una serie de temperaturas de un sensor
de cierto equipo que se está usando en un experimento. Se tomaron
mediciones de temperatura cada 30 segundos, durante 5 minutos, en el
curso del experimento. Queremos calcular la temperatura media y
también graficar los valores de temperatura.”

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El primer paso es plantear el problema claramente. Es en extremo
importante preparar un enunciado claro y conciso del problema para
evitar cualquier malentendido. Para el ejemplo, el enunciado del
problema es el siguiente:
“Calcular la media de una serie de temperaturas. Graficar los
valores de tiempo y temperatura”

2. DESCRIPCIÓN DE ENTRADAS/SALIDAS
El segundo paso consiste en describir cuidadosamente la información
que se da para resolver el problema y luego identificar los valores que se
deben calcular. Estos elementos representan las entradas y salidas del
problema y pueden llamarse colectivamente entrada/salida o E/S. En
muchos problemas resulta útil hacer un diagrama que muestre las
entradas y salidas. En este punto, el programa es una “abstracción”
porque no estamos definiendo los pasos para determinar las salidas; sólo
estamos mostrando la información que se usará para calcular la salida.


3.  EJEMPLO A MANO
El tercer paso es resolver el problema a mano o con una calculadora,
empleando un conjunto sencillo de datos. Se trata de un paso muy
importante y no debe pasarse por alto, ni siquiera en problemas
sencillos. Éste es el paso en que se detalla la solución del problema. Si
no podemos tomar un conjunto sencillo de números y calcular la salida,
no estamos preparados para continuar con el siguiente paso; debemos
releer el problema y tal vez consultar material de referencia.
Para este problema, el único cálculo consiste en calcular la media de una
serie de valores de temperatura.

4. SOLUCIÓN
Una vez que podamos resolver el problema para un conjunto sencillo de
datos, estamos listos para desarrollar un algoritmo: un bosquejo paso a
paso de la solución del problema. Si el problema es complejo puede ser
necesario escribir a grandes rasgos los pasos y luego descomponer esos
pasos en otros más pequeños.
En este paso estamos preparados para realizar el programa
correspondiente.

5. PRUEBA
El paso final de nuestro proceso de resolución de problemas es probar la
solución. Primero debemos probar la solución con los datos del ejemplo a
mano porque ya calculamos la solución antes.


3.2 Criterios de selección de componentes y dispositivos.


Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.
Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.

De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas.

1. Según su estructura física
Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.
Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Según el material base de fabricación.
* Semiconductores.
También denominados como componentes de estado sólido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrónicos. Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio aunque para determinadas aplicaciones aún se usa germanio.
* No semiconductores.

3.Según su funcionamiento.
* Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control.

Componentes activos
Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes
Ejemplos: microprocesadores, microcontroladores, memorias, transistores, diodos.

* Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel.

Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito.

Los componentes pasivos se dividen en:
Componentes Pasivos Lineales:
Condensador (Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia)
Inductor o Bobina 


Almacenar o atenuar el cambio de energía debido a su poder de autoinducción |
Resistor o Resistencia | División de intensidad o tensión, limitación de intensidad |

4. Según el tipo energía.
Electromagnéticos: aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).
Electro acústicos: transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.).
Opto electrónicos: transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.).

3.3 Integración de de Componentes y Dispositivos.

Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar. Las características del sistema mecatrónico son: mecanismo preciso de operación como elemento componente de la función principal, y del propósito más importante, y la función de información de control avanzada.


Elementos de un sistema mecatrónico
un sistema mecatrónico esta integrado por:
  1. ELEMENTOS SENSORIALES
  2. ELEMENTOS DE CONTROL
  3. ELEMENTOS ACTUADORES (MECANICA)


Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros.


  • ELEMENTOS DE CONTROL


Un área muy desarrollada en la Mecatrónica es el control. Se tienen dos tendencias importantes: el uso de las técnicas más modernas de la teoría de control automático y el desarrollo de controles inteligentes, que busca mejorar la percepción del medio ambiente y obtener una mejor autonomía.
Algunos de los avances más importantes en la rama del control automático son: redes neuronales, modos deslizantes, control de sistemas a eventos discretos, control adaptable, lógica difusa y control robusto.


Control robustoTienen en cuenta las imprecisiones y errores de modelado en el momento del diseño del regulador, diseñándose el controlador para que el sistema sea estable y cumpla las especificaciones no sólo para el modelo nominal, sino también en presencia de perturbaciones y con incertidumbre en el modelo.
  • Control adaptativo

El control adaptativo consiste en la identificación de parámetros del proceso y el calculo de un nuevo regulador, todo ello en tiempo real, siguiendo las variaciones de los parámetros y mientras se realiza el control.

Modos deslizantes
Son una clase de sistemas a través de los cuales la ley de control cambia deliberadamente durante el proceso de control de acuerdo con alguna regla, la cual depende del estado del sistema.
  • ELEMENTOS ACTUADORES (MECANICA)
Todo mecanismo requiere de una fuente de potencia para operar. Inicialmente esta fuente de potencia fue de origen animal, posteriormente se aprovechó la fuerza generada por el flujo de aire o agua, pasando luego a la generación de potencia con vapor, por combustión interna y actualmente con electricidad.

  • Aplicaciones

La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas flexibles y reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica.
Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas (por medio de conexiones TCP/IP), estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces ópticas, navegación y locomoción.




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