Unidad 3 Integración de 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. Éste es el
diagrama de E/S para el presente ejemplo:
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.
Supongamos que usamos los siguientes datos para el ejemplo a mano:
Tiempo (minutos) Temperatura (grados ºF)
0.0 105
0.5 126
1.0 119
Calculamos a mano la media
como (105+126+119)/3
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
Selección de componentes y dispositivos electrónicos
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.
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 componentes y dispositivos
El diseño de ingeniería es
un proceso complejo que involucra diversas disciplinas y habilidades. La parte
medular del enfoque mecatrónico radica en la participación conjunta de disciplinas
como la electrónica, la tecnología de cómputo y la ingeniería de control. Por ejemplo,
una opción para diseñar una báscula para baño es considerar sólo la compresión
de resortes y un mecanismo que convierta el movimiento en la rotación de un eje
y, por lo tanto, en el desplazamiento de una aguja a través de una escala. Un
aspecto que se debe tener en cuenta en el diseño es que ei peso indicado no
debe depender de la posición de la persona en la báscula. En la mecatrónica, existe
la posibilidad de recurrir a otras alternativas. Por ejemplo, los resortes se
pueden reemplazar por indicadores de presión con deformímetros; la salida se
alimenta a un microprocesador para producir una lectura digital del peso en un
visualizador de LED. Este tipo de báscula es más simple desde el punto de vista
mecánico, ya que utiliza menos componentes y partes movibles. La complejidad
sin embargo, se transfiere al software.
En el diseño tradicional del
control de temperatura de un sistema de calefacción central doméstico se utiliza
un termostato bimetálico inserto en un sistema de control de ciclo cerrado. El
grado de deformación de la lámina bimetálica aumenta con Ia temperatura, lo
cual se aprovecha para accionar el interruptor de encendido/apagado del sistema
de calefacción. La solución mecatrónica del problema anterior sería utilizar un
sistema controlado por microprocesador que emplea un termodiodo como sensor.
Este sistema ofrece muchas ventajas respecto al sistema que emplea un
termostato. El termostato bimetálico es más o menos burdo y no permite
controlar con precisión la temperatura. Además, es complejo diseñar un método
para tener diversas temperaturas a diferentes horas del día. En cambio, el sistema
controlado por microprocesador permite obtener con facilidad precisión y un
control programado. El Sistema es mucho más flexible. Esta mejora en ia
flexibilidad es una característica común de los sistemas mecatrónicos en
comparación con los sistemas tradicionales.
Los microprocesadores se
utilizan cada vez más en aparatos electrodomésticos, automóviles, máquinas
fabriles, etcétera, integrados como controladores. De hecho, todo diseño
mecánico puede considerar un subsistema de microprocesador como posible
solución.
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