Mecatrónica - Control y automatización

Por Fernando Reyes

Es una obra de Texto dirigida a estudiantes de las carreras de ingeniería mecatrónica, robótica, electrónica, sistemas, eléctrica, industrial, computación e informática, Ingeniería de Diseño y Automatización Electrónica. Proporciona un panorama interdisciplinario general y profundo en el campo de la Mecatrónica. Los iconos colocados a lo largo del

• Idioma: Español
• Editorial: Alfaomega Grupo Editor
• Fecha de lanzamiento: 4 mar 2021
• ISBN: 9786077078517

Fernando Reyes

Dr. José Fernando Reyes Cortés. Es profesor investigador titular C de la Facultad de Ciencias de la Electrónica, Universidad Aut´onoma de Puebla. En 1984 obtuvo la Licenciatura en Ciencias de la Electrónica en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Autónoma de Puebla. En 1990 obtuvo la Maestría en Ciencias con Especialidad en Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Ópticay Electrónica (INAOE). Bajo la asesoría del Dr. Rafael Kelly, en 1997 culminó el Doctorado en Ciencias con Especialidad en Electrónica y Telecomunicacionesen el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE). Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1993 a la fecha. Actualmente es nivel I. Es autor de más de 150 artículos nacionales e internacionales. Ha dirigido 30 proyectos científicos. Ha graduado a m´as de 100 tesistas de los niveles de ingeniería, maestría y doctorado. Ha impartido 50 cursos del área de control y robótica a nivel licenciatura y posgrado. Es fundador del Laboratorio de Robótica y Control de la Facultad de Ciencias de la Electrónica donde ha puesto a punto 30 prototipos de mecatrónica, robótica e instrumentación.Es Premio Estatal de Tecnolog´?as y Ciencias de la Ingenier´?a en noviembre 2000 por el Gobierno del Estado de Puebla. Premio al Mérito Civil en Ingeniería y Tecnología por el Ayuntamiento de la Ciudad de Puebla en abril 2010. En actividades administrativas y de gestión académica se ha desenvuelto como Secretario de Investigaci´on y Estudios de Posgrado de la Facultad de Ciencias de la Electrónica desde febrero del 2002 a la fecha. Ha sido fundador y responsable del Cuerpo Académico de Robótica y Control del 2001 a marzo 2010, donde obtuvo el grado de consolidado.Fue responsable de los proyectos de creación, así como su ingreso al Programa Nacional de Posgrados de Calidad de CONACYT de la Maestría de Ciencias de la Electrónica y también del Posgrado en Ingeniería.

Vista previa del libro

Portada.jpg

MECATRÓNICA

CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

Director Editorial

Marcelo Grillo Giannetto

mgrillo@alf aomega.com.mx

Editor

Francisco Javier Rodríguez Cruz

[e-mail]

Mecatrónica. Control y Automatización

Fernando Reyes Cortés; Jaime Cid Monjaraz; Emilio Vargas Soto Derechos reservados © Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.

Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, marzo de 2013

© 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de G.V.

Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317

Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx

E-mail: [e-mail]

La transformación a libro electrónico del presente título fue realizada por Sextil Online, S.A. de C.V./ Editorial Ink ® 2016.

[phone]

[e-mail]

www.editorial-ink.com

Datos catalográficos

Reyes Cortés, Fernando; Cid Monjaraz, Jaime; Vargas Soto, Emilio

Primera Edición

Mecatrónica, Control y Automatización

Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México

ISBN: 978-607-707-548-6

eISBN: 978-607-707-851-7

Formato: 21 X 24 cmPáginas: 616

ISBN: 978-607-707-548-6

eISBN: 978-607-707-851-7

Derechos reservados:

Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright.

El texto fue compuesto por el autor en LateX con PcTex 6.0, los dibujos con Autocad 2012 y las imágenes con SolidWorks 2012.

Nota importante:

La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele.

Edición autorizada para venta en todo el mundo.

Impreso en México. Printed in México.

Empresas del grupo:

México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V.-Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. C.P. 03100. Tel.: [phone] Fax: [phone]/2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [e-mail]

Colombia: Alfaomega Colombia S.A. Carrera 15 No. 64 A 29, Bogotá, Colombia Tel.: [phone] Fax: [phone] - E-mail: [e-mail]

Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile Tel.: [phone] Fax: [phone] - E-mail: [e-mail]

Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. Paraguay 1307 P.B. Of. 11, C.P. 1057, Buenos Aires, Argentina Tel./Fax: [phone] y 4811 0887- E-mail: [e-mail]

Acerca de los autores

au01

Dr. José Fernando Reyes Cortés. Investigador titular C de la Facultad de Ciencias de la Electrónica en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Licenciado en Electrónica (1984 FCFM-BUAP), Maestría en Ciencias (1990 INAOE), Doctorado en Ciencias (1997 CICESE). Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1993 a la fecha, con vigencia actual al 31 de diciembre de 2016 (SNI nivel I). Autor de múltiples artículos científicos nacionales e internacionales, ha titulado a más de 100 alumnos.

au02

Dr. Jaime Cid Monjaraz. Profesor investigador titular C de la VIEP de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Egresado de la Licenciatura en Electrónica en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-BUAP, Maestría en Control Automático en el ITP y Doctorado en Ingeniería Mecatrónica en la UPAEP. Desde 1981 a la fecha es profesor en la BUAP de cursos de matemáticas, computación, electrónica, robótica y control. Autor de varias publicaciones científicas nacionales e internacionales.

au03

Dr. Emilio Vargas Soto. Es considerado un experto en Ingeniería Mecatrónica. Ha colaborado en proyectos industriales de desarrollo tecnológico en México, España y Japón. Fundador de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Doctor en Informática y Automática. La Universidad de Tokio le otorgó el "Postdoctoral Degree" por sus investigaciones en sistemas de tele-presencia y robots caminantes. Cuenta con 22 años de experiencia docente en diferentes Universidades.

Fernando Reyes Cortés

Por darme la vida, por todo lo que que aprendí y la formación que en mí desarrolló, dedico este libro a la memoria de Alicia Cortés Castillo (R.I.P.).

Por todo su apoyo, paciencia y comprensión en todos los momentos lo dedico a mi esposa Silvia y mis hijos Luis femando y Leonardo.

A mi Alma Mater, la ‘Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

Jaime Cid Monjaraz

Mi más profundo agradecimiento y amor a mis hijas Italia, Grecia y a mi esposa Galia que son el principal motivo de mi felicidad, además de su comprensión y apoyo incondicional por todo el tiempo que les quité. A toda mi familia cuya existencia es el acto más justo y hermoso. A mis maestros de manera especial al Ing. Luis Rivera Terrazas cuya influencia fue decisiva en mi vida, por supuesto a mis colegas del CUVyTT-VIEP, a mis amigos y estudiantes de la BUAP que nada de este trabajo sería realidad sin su apoyo.

Emilio Vargas Soto

Agradezco a mis padres por darme la vida y ser un ejemplo de inspiración. A mis amigos, colegas y estudiantes su paciencia para esperar este libro que finalmente está en sus manos, de alguna forma todos ustedes me impulsan en lograr mi proyecto de vida: trascender logrando beneficios en la sociedad.

Mensaje del Editor

Una de las convicciones fundamentales de Alfaomega Grupo Editor es que los conocimientos son esenciales en el desempeño profesional, ya que sin ellos es imposible adquirir las habilidades para competir laboralmente. El avance de la ciencia y la tecnología hace necesario tener al día continuamente esos conocimientos, y de acuerdo con esto Alfaomega Grupo Editor publica obras actualizadas, con alto rigor científico y técnico, y escritas por los especialistas del área respectiva más destacados.

Consiente del alto nivel competitivo que debe de adquirir el estudiante durante su formación profesional, Alfaomega Grupo Editor aporta un fondo editorial que se destaca por sus características pedagógicas que coadyuvan a desarrollar las competencias requeridas en cada profesión específica.

De acuerdo con esta misión, con el fin de facilitar la comprensión y apropiación del contenido de esta obra, cada capítulo inicia con el planteamiento de las competencias particulares que se deben de adquirir y con una introducción en la que se plantean los antecedentes y una descripción de la estructura lógica de los temas expuestos, asimismo a lo largo de la exposición se presentan ejemplos desarrollados con todo detalle y cada capítulo concluye con un resumen, una bibliografía específica y una serie de ejercicios propuestos.

Además de la estructura pedagógica con que están diseñados nuestros libros, Alfaomega Grupo Editor hace uso de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) para facilitar el aprendizaje. Correspondiente a este concepto de edición, esta obra cuenta con una página Web específica en donde se encuentran mapas conceptuales, código fuente, capítulos adicionales, lecturas adicionales, videos, hojas de especificaciones, solución a problemas propuestos seleccionados y presentaciones en diapositivas.

Los libros de Alfaomega Grupo Editor están diseñados para ser utilizados en los procesos de enseñanza- aprendizaje, y pueden ser usados como textos en diversos cursos o como apoyo para reforzar el desarrollo profesional, de esta forma Alfaomega Grupo Editor espera contribuir a la formación y al desarrollo de profesionales exitosos para beneficio de la sociedad, y espera ser su compañera profesional en este viaje de por vida por el mundo del conocimiento.

Plataforma de contenidos interactivos

Para tener acceso al material de la plataforma de contenidos interactivos de Mecatrónica. Control y automatización, siga los siguientes pasos:

gen_001 1) Ir a la página

http://libroweb.alfaomega.com.mx

gen_001 2) Registrarse como usuario del sitio.

gen_001 3) Ingresar al apartado de inscripción de libros, o bien identificar este libro en el catálogo, y registrar la siguiente clave de acceso.

gen_001 4) Para navegar en la plataforma ingrese los nombres de Usuario y Contraseña definidos en el punto dos.

Página Web del libro

La página Web de la presente obra contiene los siguientes recursos:

gen_002 Videos experimentales

Videos experimentales con prototipos científicos se encuentran disponibles en el sitio Web del libro para mostrar aspectos cualitativos de diversos algoritmos de control y desempeño.

gen_001 Videos de prototipos científicos desarrollados en el laboratorio de Robótica de la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla y que en general son la implementación de la teoría de automatización aplicada a la ingeniería mecatrónica.

gen_002 Simuladores

Como un paso previo a la etapa experimental, se encuentra el estudio y análisis de sistemas dinámicos y algoritmos de control a través de simuladores de servomecanismos de ingeniería mecatrónica.

gen_002 Código fuente

Se incluyen más de 100 programas desarrollados en código fuente Matlab versión 2012a relacionados con instrumentación, sistemas dinámicos lineales y no lineales, robots manipuladores, servomecanismos, algoritmos de control, diagramas fase, control clásico, sistemas discretos, etc.

gen_002 Lecturas complementarias

Adicional a los 12 capítulos que integran la obra, también se incluyen en el sitio Web del libro diversos temas relacionados con la ingeniería mecatrónica y sus aplicaciones.

gen_002 Respuesta y desarrollo de problemas seleccionados

Para el estudiante se encuentra en la página Web la solución de una selección de ejercicios planteados en los capítulos del libro. En la solución de dichos ejercicios se detallada los pasos teóricos y su implicaciones prácticas.

La solución de todos los problemas propuestos de esta obra se pueden consultar en:

gen_ref_b_008 Fernando Reyes y Jaime Cid. "Mecatrónica. Control y Automatización. Problemas resueltos". Alfaomega Grupo Editor, 2013.

Recursos Web y notas al margen

---

gen_web_b_009

Recursos Web del libro

Los recursos Web que incluye esta obra son:

gen_001 Archivos PDF’s con código fuente.

gen_001 Capítulos adicionales en archivos PDF’s. Lecturas adicionales en archivos PDF’s.

gen_001 Videos experimentales o descriptivos.

gen_001 Hojas de especificaciones.

gen_001 Solución de problemas propuestos seleccionados. Para acceder a los recursos Web del libro:

gen_web_g_006 http://libroweb.alfaomega.com.mx

Identificar la obra del catálogo, bajar la información complementaria y adicional del capítulo.

tachuela

Notas al margen

Notas al margen son representadas por una caja o recuadro con una tachuela pegada en su esquina superior izquierda proporcionando información básica teórica o práctica sobre algún concepto o definición que se trate en la exposición central del tema.

gen_002 Recursos para el profesor

La obra contiene material de apoyo para el profesor como:

Solución de una selección amplia de problemas propuestos en el libro.

Apoyo de material didáctico a través de diapositivas de cada capítulo para exposición en clase.

gen_002 Simbología e iconografía utilizada

Con el fin de que el lector identifique fácilmente la descripción de instrucciones o comandos de programación que se presentan en el libro se utiliza la siguiente simbología:

fplot(’function’,limits,line) gen_matlab_g_004

Ejemplos

---

Los ejemplos ilustrativos que se encuentran resueltos en la obra están clasificados con respecto a su grado de complejidad en tres formas posibles: simple o básico, regular y complejo.

gen_ejemp_b_005 Ejemplo 1.1

---

Los ejemplos simples se encuentran identificados por un símbolo gen_ejemp_n_005 , complejidad regular por gen_ejemp_n_005 gen_ejemp_n_005 y complejos por gen_ejemp_n_005 gen_ejemp_n_005 gen_ejemp_n_005 También incluyen un número de referencia que lo identifica al capítulo donde fue definido. El enunciado de los ejemplos se encuentra en un recuadro con fondo gris; también se indica el recuadro de solución y la terminación del ejemplo por 3 cuadros posicionados a la derecha del margen.

Solución

---

Se plantea la solución del ejemplo y se finaliza el desarrollo del mismo con una serie de 3 cuadros pequeños posicionados a la derecha de la página, los cuales definen la separación con los siguientes párrafos.

cuadros

Programas

---

Todos los programas de este libro han sido implementados en lenguaje fuente Matlab para la versión 2012a. Se encuentran identificados por un recuadro con número de referencia, cabecera con información del capítulo al que pertenecen, nombre del sistema a simular, nombre del archivo Matlab código fuente y su documentación.

gen_matlab_g_004 Código Fuente 1.1 cap2_plot

Mecatrónica. Control y Automatización.

Capítulo 2 Matlab para mecatrónica.

Fernando Reyes Cortés, Jaime Cid Monjaraz y Emilio Vargas Soto.

Alfaomega Grupo Editor Te acerca al conocimiento.

---

Archivo cap2_plot.m Versión de Matlab 2012a

---

1 ele;

2 clear all;

3 cióse all;

4 x=-10:0.001:10; %vector del eje horizontal conocido como eje de ordenadas

5 %función a graficar (vector de las abscisas o eje vertical)

6 y=cos(x).*sin(x).∧3.*tanh(x);

7 % realiza la gráfica de la función y(x)

8 plot(x,y)

Referencias bibliográficas

---

Los símbolos empleados en las referencias tales como libros, revistas especializadas o técnicas y enlaces electrónicos como sitios Web son representados mediante los siguientes:

gen_ref_b_008 Se emplea para identificar un libro o proceedings.

gen_ref_b_007 Utilizado para identificar una revista científica ya sea Journal o Transactions.

gen_web_b_006 Indica una dirección electrónica.

Prólogo

Mecatrónica representa hoy en día, un área científica tecnológica clave para el desarrollo de todo país, con beneficio directo en todos los ámbitos de la sociedad: medicina, industria, educación, gobierno, ciencia y tecnología. Actualmente se ha convertido en la base de toda la tecnología moderna, permite la generación y aplicación del conocimiento científico tecnológico dentro de un contexto globalizado, converge en nuevas tecnologías, mejorando no sólo la calidad de vida, también amplía horizontes de crecimiento.

Mecatrónica es una área clave, viable, estratégica y sustentable particularmente para el mundo hispano (Latinoamérica y España) sinónimo de modernización y competitividad. La mecatrónica es de naturaleza multidisciplinaria que agrupa varias áreas del conocimiento tales como ingeniería, robótica, electrónica, mecánica, computación, física, control automatización, entre otras como se muestra en la figura 1.

fig_prol01

Figura 1 Mecatrónica área multidisciplinaria científica-tecnológica de la ingeniería moderna.

La fortaleza de la ingeniería Mecatrónica se ubica en aplicar las ciencias exactas (física y matemáticas) y áreas de la ingeniería (control automático, computación, electrónica y mecánica) para dar solución a problemas de interés de la sociedad a través del diseño de sistemas mecatrónicos. Mecatrónica empezó a surgir desde los años 1960 como concepto de automatización de la industria japonesa. Mecatrónica en inglés es Mechatronics se compone de dos prefijos: mecha para designar los sistemas mecánicos y tronics para representar a los sistemas electrónicos.

Dentro del sector académico y científico, prácticamente en todas las universidades y centros de investigación del mundo ofrecen mecatrónica a nivel ingeniería y postgrado (maestría y doctorado), esto es un indicativo de su importancia en el ámbito globalizado.

Esta obra está enfocada a cubrir tópicos y temas de la curricula del plan de estudios de las carreras de ingeniería: mecatrónica, robótica, electrónica, eléctrica, automatización, informática, industrial, computación y sistemas. Este libro desarrolla en forma integral las áreas de la automatización aplicadas a la ingeniería mecatrónica sin perder claridad y calidad académica en el tratamiento y exposición de los temas; al mismo tiempo enriquece la parte práctica con propuestas teóricas-experimentales. Por tal motivo, la presente obra cubre en forma horizontal los niveles básicos e intermedios del plan de estudios y en forma transversal es una excelente referencia que sirve al alumno en toda su carrera.

La presente obra pretende brindar al lector las bases fundamentales de la ingeniería mecatrónica abordando aspectos de control clásico y control moderno bajo el enfoque de espacio de estados, así como modelado de sistemas continuos, discretos y control de robots manipuladores. Se presentan un número importante de ejercicios resueltos en forma analítica para ilustrar al lector a comprender mejor los conocimientos presentados en las respectivas secciones y por medio de simulación a través del lenguaje de programación de Matlab se refuerzan los conceptos y aplicaciones.

Adicionalmente, en la obra se plantea un capítulo Web con enfoque para planificación y administración de proyectos; temática indispensable que hoy en día debe manejar todo ingeniero mecatrónico como parte sustantiva de su formación académica con la finalidad de lograr un excelente desarrollo profesional. Lo anterior le permite reducir brechas y tender puentes hacia la vinculación entre aspectos científico-tecnológicos con el sector industrial.

gen_002 Organización del libro

Este libro se encuentra organizado en 12 capítulos fundamentales del área de la mecatrónica que de manera integral cubre los aspectos teóricos y prácticos de los planes de estudios relacionados con las carreras de ingeniería.

En forma impresa se describen 10 capítulos y como recurso Web se presentan dos capítulos adicionales. El capítulo 11 cubre el tema de MEMS y el capítulo 12 contiene aspectos específicos de la administración de proyectos mecatrónicos.

Mecatrónica

---

El Capítulo 1 Mecatrónica presenta una introducción a la ingeniería mecatrónica, resalta los aspectos claves y estratégicos dentro de una perspectiva histórica, contexto e impacto en la sociedad moderna. Describe la naturaleza científica y multidisciplinaria, así como sus potenciales aplicaciones. Se proporciona una definición mucho más amplia y adecuada a nuestros tiempos de la ingeniería mecatrónica, además se presentan nuevos conceptos de esta área.

Matlab para mecatrónica I

---

El Capítulo 2 Matlab para mecatrónica proporciona los conocimientos fundamentales para programar en forma solvente y con pleno dominio en código fuente el lenguaje de programación Matlab. De esta forma, las aplicaciones en ingeniería mecatrónica son inmediatas. Describe las características principales de la sintaxis de programación, operaciones básicas con matrices y arreglos de datos, gráficas 2D y 3D, funciones, variables locales y globales, instrucciones que forman lazos de control, instrucciones condicionales y ejemplos de aplicación con la finalidad de lograr en el lector una fácil y rápido entendimiento del lenguaje Matlab.

Sensores y transductores

---

Capítulo 3 Sensores y transductores presenta los principios físicos básicos de los principales tipos de sensores y transductores empleados en aplicaciones de automatización aplicados a la ingeniería mecatrónica. La descripción se centra en diversos sensores de temperatura tales como termopares, termistores, dispositivos térmico resistivo, medición de la posición de sistemas mecatrónicos y robots manipuladores a través de resolvers y encoders; un conjunto amplio de sensores de propósito general también son presentados tales como: fuerza, par, galgas, ultrasonido, visión, proximidad, piezoeléctricos, etc.

Actuadores eléctricos!

---

Capítulo 4 Actuadores eléctricos ilustra el funcionamiento básico de los motores eléctricos de corriente continua, especificaciones técnicas, selección de componentes y aplicaciones potenciales. Presenta en detalle el concepto de servomotor y servoamplificador; particularmente resalta las ventajas que tienen en el diseño de servosistemas y robots manipuladores usando la tecnología de transmisión directa (direct-drive). Adicionalmente, incluye una sección sobre motores a pasos, los cuales se emplean en la construcción de herramientas de trabajo de un robot manipulador.

Instrumentación eleectrónica

---

En el Capítulo 5 Instrumentación electrónica se presentan las bases de análisis y diseño de instrumentación usando amplificadores operacionales, describe diversas configuraciones de los opams como inversores, sumadores, integrador, diferenciador, amplificador diferencial y de instrumentación, así como el procesamiento de la información a través de la tarjeta electrónica Arduino y su programación en Matlab y Simulink.

Dinámica

---

El Capítulo 6 Dinámica proporciona los conocimientos sobre dinámica de sistemas mecánicos y la forma de realizar simuladores usando lenguaje fuente Matlab. Se describen las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange y su transformación a una ecuación diferencial ordinaria de primer orden (ode) descrito en variables de estado fase de la forma x·=fx; esta estructura representa el lenguaje matemático ideal para llevar a procesos de simulación los fenómenos físicos del sistema mecatrónico. Ejemplos prácticos son presentados a través de prototipos tales como: sistema masa resorte amortiguador, centrífuga, péndulo y un robot manipulador de 2 grados de libertad. Todos los ejemplos incluyen el código fuente Matlab para realizar de manera eficiente la simulación de la dinámica.

Control clásico

---

La teoría de Control clásico se presenta en el capítulo 7 con enfoque a sistemas mecánicos de la ingeniería mecatrónica, se describe el análisis de sistemas lineales en el dominio de la frecuencia, particularmente se describen en forma completa las propiedades de los sistemas de primer y segundo orden. La presentación de conceptos son ilustrados a través de diversos ejemplos de simulación en lenguaje Matlab. Se abordan tópicos como funciones de transferencia, análisis de ceros y polos, así como su representación en el plano s, gráficas de Bode y Nyquist. Resaltando las funciones de control Systems toolbox de Matlab, así como los ambientes gráficos ltiviewer y sisotool.

Análisis de sistemas con variables de estado

---

La ingeniería de control moderno para sistemas dinámicos lineales con enfoque en variables de estado se desarrolla en el Capítulo 8, describiendo el concepto y clasificación de variables de estado tales como variables física, fase y canónicas; modelado en espacio de estados, características descriptivas de la respuesta en el dominio del tiempo, criterios para determinar la respuesta transitoria y estacionaria de sistemas

lineales de primer y segundo orden. Conceptos como controlabilidad y observabilidad son desarrollados para servomecanismos y un conjunto de ejemplos resueltos bajo la programación estructurada del lenguaje Matlab usando funciones pertenecientes a control Systems toolbox.

Sistemas discretos

---

El Capítulo 9 Sistemas discretos presenta el análisis de sistemas lineales invariantes en el tiempo bajo el enfoque de espacio de estados discretos. Se presentan temas como muestreo con la técnica del retenedor de orden cero, modelado de espacio discreto, función de transferencia pulso, controlabilidad, observabilidad y técnicas de discretización. Todos los tópicos son ilustrados con ejemplos de sistemas mecánicos programados en lenguaje Matlab por medio de funciones control systems toolbox.

Control de robots manipuladores

---

El capítulo 10 Control de robots manipuladores contiene el análisis cualitativo de los algoritmos de control básicos como el proporcional derivativo PD y proporcional integral derivativo PID de robots manipuladores, así como los aspectos prácticos para llevar a cabo el proceso de simulación de nuevas estrategias de control con aplicaciones en control punto a punto. Se resalta el desarrollo de simuladores y la propuesta de nuevas librerías de programación en código fuente Matlab del modelo dinámico y esquemas de control para robots manipuladores.

MEMS

---

El tema de MEMS se presenta como recurso Web de esta obra descrito como el Capítulo 11 aborda la importancia y fundamentos de análisis, aspectos de micromaquinado y potenciales aplicaciones en bioingeniería.

Administración de proyectos

---

El Capítulo 12 Administración de proyectos es un recurso Web el cual contiene estrategias para gestionar eficientemente los recursos, materiales y capital humano requerido en proyectos de corte mecatrónico. Se presentan habilidades como "traducir" las necesidades del cliente en características cuantitativas y cualitativas del proyecto mecatrónico.

gen_002 Solución a los problemas propuestos

Al final de cada capítulo se encuentra una sección con un conjunto de problemas propuestos cuya finalidad es hacer reflexionar y madurar los conocimientos del lector de cada capítulo, así como mejorar la habilidad de programación y simulación en el ambiente Matlab.

Sin embargo, el lector puede comprobar su propia respuesta o desarrollo de conocimientos con la solución proporcionada con lujo de detalle ampliamente documentados de todos los problemas propuestos en:

La solución de todos los problemas propuestos de esta obra se pueden consultar en:

gen_ref_g_008 Fernando Reyes y Jaime Cid. Mecatrónica. Control y Automatización. Problemas resueltos. Alfaomega Grupo Editor, 2013.

gen_002 Créditos de programas de cómputo utilizados

En la presente obra se ha tomado en cuenta los aspectos de calidad científica y académica docente, así como los aspectos pedagógicos de la exposición de conceptos, secuencia y desarrollo del contenido, solución de ejemplos ilustrando y fortaleciendo los conocimientos, programación y desarrollo de simuladores. Por lo que, en la edición, formación y compilación del manuscrito fueron seleccionados un conjunto de herramientas y paquetes de cómputo cuya calidad estética es insuperable.

Créditos de programas y herramientas de cómputo utilizados

En este libro se ha priorizado la calidad de presentación no sólo en la exposición de los conceptos, también la estética y estilo de objetos pedagógicos, gráficos e iconografía con la finalidad de captar y motivar la atención de alumnos y profesores. Por tal motivo, la presente obra fue formada y editada en lenguaje científico LATEX y compilada con macros y programación desarrollada por los autores usando el compilador PCTEXMR versión 6, los diagramas y dibujos realizados en AutoCADMR 2012 y las imágenes (sólidos) diseñados en SolidWorkMR 2012, los programas fuentes de simuladores para sistemas dinámicos, mecatrónicos, robots manipuladores y algoritmos de control fueron realizados para MatlabMR versión 2012a y los programas de instrumentación en lenguaje ArduinoMR versión 2012.

Palabras finales

---

Los autores desean agradecer a la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla por todo el apoyo proporcionado para realizar esta obra, particularmente al Dr. Enrique Agüera Ibañez, rector de la Institución por su visión científica y liderazgo, así como al Dr. Pedro Hugo Hernández Tejeda, Vicerrector de Investigación y Estudios de Posgrados; la Dra. Rosa Graciela Montes Miró, Directora de Investigación; al Dr. Gerardo Martínez Montes, Director del CUVyTT, a todos ellos por impulsar y fortalecer este libro a través del proyecto 11 Modelado Dinámico y Simulación de Robots Manipuladores " perteneciente al sub-programa de aseguramiento de investigadores consolidados de la VIEP-BUAP. Asimismo, deseamos extender nuestro agradecimiento al Ing. Javier Méndez Mendoza y del cDr. César Chávez Olivares por el soporte y apoyo técnico, al Grupo de Robótica formado por la Dra. Aurora Vargas Treviño, Dra. Olga Félix Beltrán, Dra. Amparo Palomino, Dr. Sergio Vergara Limón, así como a numerosos colegas, alumnos de Ingeniería Mecatrónica, Licenciatura en Electrónica y del Posgrado en Automatización por enriquecer y contribuir significativamente los conocimientos presentados de este libro y a la Facultad de Ciencias de la Electrónica por las facilidades brindadas.

Femando Reyes Cortés

Jaime Cid Monjaraz

Emilio Vargas Soto

Puebla, Pue., a 17 de diciembre del 2012

Facultad de Ciencias de la Electrónica

fig_prol02 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

Capítulo 1

Mecatronica

---

portada01

1.1 Introducción

1.2 Origen de la mecatrónica

1.3 Sistemas mecatronicos

1.4 Sensores y transductores

1.5 Actuadores

1.6 Sistemas de control

1.7 Sistemas neumóticos

1.8 Sistemas hidráulicos

1.9 Electrónica e informática

1.10 Resumen

1.11 Referencias selectas

1.12 Problemas propuestos

Competencias

Presentar el concepto, relevancia e importancia de la ingeniería mecatrónica en un contexto global.

Desarrollar habilidades en:

gen_001 Aspectos históricos importantes y origen de la mecatrónica. Definición, impacto e importancia.

gen_001 Sistemas mecatronicos.

gen_001 Sensores y transductores.

gen_001 Sistemas de control.

gen_001 Sistemas neumáticos.

gen_001 Sistemas hidráulicos.

gen_001 Electrónica e informática.

gen_001 Aplicaciones.

subtit_img 1.1 Introducción

Mecatrónica como área del conocimiento, en los últimos años ha tenido una enorme importancia en todos los sectores de la sociedad debido a todos los beneficios que ha brindado gracias a su carácter científico y tecnológico, en este contexto es fundamental reconocer que como área científica no sólo se dedica exclusivamente al pensamiento abstracto, también al pensamiento llevado continuamente a la práctica y renovado por la experiencia cotidiana. Por eso, no se puede conocer a la ciencia separada de la tecnología; la fusión de la ciencia y la tecnología es una etapa cada vez más acelerada que ha llevado a la producción automatizada de todas las aplicaciones de la industria automotriz, manufactura de productos comerciales y de consumo, beneficios en la sociedad como: quirófanos robotizados, rehabilitación, asistencia a personas con capacidades diferenciadas, entre otras aplicaciones. El papel de la ciencia y la tecnología en la sociedad contemporánea cobra cada día mayor importancia. La velocidad e impacto de los cambios en el desarrollo científico exigirán en los próximos años una mayor participación social y nuevas estrategias de acceso a la cultura científica.

La ciencia y tecnología se han convertido en protagonistas de las transformaciones realizadas en las últimas décadas, representan áreas estratégicas prioritarias en avance de la sociedad, por lo cual son elementos fundamentales para el desarrollo del país, constituyen factores imprescindibles del progreso nacional, elevando los niveles de competitividad necesarios para incidir en los mercados internacionales en un ámbito globalizado. Las sociedades que están directamente relacionadas con la capacidad de producir tecnología mejoran en muchos casos las condiciones de vida de sus propios habitantes.

Para que un país alcance un rápido desarrollo, la investigación científica y el desarrollo de tecnologías deben ocupar una actividad preponderante, que coloque en el centro de su quehacer la formación de recursos humanos con el perfil científico-tecnológico, mediante el desarrollo de prototipos, generación y aplicación de conocimientos. Existe una tendencia mundial hacia la modernización de procesos mediante la síntesis y la sinergia de diversos productos con componentes que tradicionalmente habían sido tratados de manera independiente por su diversa naturaleza, hoy en día estos conceptos son integrados por la mecatrónica.

Mecatrónica es un área clave y estratégica de desarrollo en la sociedad moderna, sinónimo de modernización tecnológica, por su naturaleza multidisciplinaria, científica práctica permite generar y aplicar conocimientos y/o tecnologías a problemas reales del entorno, permitiendo la automatización de procesos optimizados en tiempo, costos y con calidad competitiva.

Los procesos productivos tienden a utilizar mecatrónica para mejorar e incrementar la productividad, calidad, así como abaratar costos y evitar riesgos. La necesidad cada vez más inaplazable de aumentar la productividad y conseguir productos acabados de una calidad uniforme, está haciendo que la industria gire cada vez más hacia la automatización de sus procesos con base en la ingeniería mecatrónica. Hoy en día son numerosas áreas del conocimiento que se emplean en mecatrónica tales como: sistemas automáticos de control (digital y continuo), sistemas electrónicos, robótica, programación, informática, sistemas mecánicos, diseño CAD de piezas y componentes mecánicas, administración de proyectos (manejo gerencial del proyecto y terminología empresarial). Las áreas de aplicación fundamentalmente son: fabricación y elaboración de materiales, productos de consumo, manufactura, sector automotriz, medicina, industria aeroespacial, etc.

La naturaleza multidisciplinaria y científica de la ingeniería mecatrónica, así como sus potenciales aplicaciones se ilustran en la figura 1.1.

fig_01_01

Figura 1.1 Mecatrónica área multidisciplinaria científica-tecnológica de la ingeniería moderna.

El área de mecatrónica no sólo involucra el mundo macro, como el desarrollo y diseño de aplicaciones usando robots en líneas de producción, sistemas automatizados con servomotores, automóviles, etc., también involucra el mundo micro y nano es decir, usando tecnología a escala de micrómetros y nanómetros, respectivamente (en un rango entre uno y 100 nanómetros) para miniaturizar componentes mecánicas y elementos electromecánicos MEM’s (acelerómetros, giroscopios, sensores de presión, monitoreo para

respiración, prótesis) y nanotecnología (tecnobiología a nivel molecular, neurología y varias ramas de la medicina).

Mecatrónica es una etapa natural en el proceso evolutivo de la ingeniería moderna, el desarrollo de la computadora, consecuentemente las microcomputadoras, tecnologías de información asociadas y avances de software, hicieron a la mecatrónica un área estratégica y clave a finales del siglo XX. Actualmente, con los avances que se han obtenido en sistemas integrados bioelectromecánico, computadoras cuánticas, MEM’s, nanotecnología, y otros desarrollos en electrónica, informática, física y matemáticas han garantizado que el futuro de la mecatrónica esté lleno de posibilidades brillantes.

subtit_img 1.2 Origen de la mecatrónica

Mecatrónica tiene como antecedentes inmediatos el desarrollo científico en el área de Cibernética realizada en 1936 por Alan Turing, las máquinas de control numérico desarrolladas inicialmente en 1946 y posteriormente programación de robots en 1954 por Devol quien realizara en la compañía Unimation robots teleoperados y autómatas programables. En 1960 se instaló el primer robot industrial en General Motors y en 1978 el robot de Devol se convirtió en el modelo PUMA.

La palabra mecatrónica (mechatronics) significa mecha de mecanismo y tronics de electrónica.

En 1960 el término mecatrónica empezó a surgir como un concepto de automatización para la industria japonesa, posteriormente se generalizó en 1980 a universidades y centros de investigación.

El término mecatrónica apareció por primera vez el 12 de julio de 1969 en un reporte técnico Mechatronics realizado por el ingeniero Tetsuro Mori en la Compañía Eléctrica Japonesa Yaskawa Internal Trademark Application. Tetsuro Mori y su asistente Ko Kikuchi aplicaron la técnica Kaizen, cuyo término japonés significa mejora continua el cual se emplea para resolver problemas de funcionamiento de las maquinarias y sistemas de automatización que desarrollaban para realizar los productos que fabricaban en dicha empresa. La compañía Yaskawa en 1970 solicita obtener los derechos de marca del concepto mecatrónica. En enero de 1972 obtiene el derecho de marca con número de registro 946594 (Japan trademark registration). Sin embargo, fue hasta el año de 1980 donde el concepto mecatrónica se empieza hacer popular en forma mundial, retomado por el sector industrial y universidades.

Tetsuro Morí, en 1969 introduce el término mechatronics en la empresa Yaskawa de Japón, la cual la definió como la integración de la mecánica y electrónica en un máquina. Actualmente la ingeniería mecatrónica se ha consolidado como una especialidad que requiere de varias áreas del conocimiento como física, matemáticas, control automático, informática, bioingeniería, administración de proyectos.

La ingeniería mecatrónica ocupa un papel clave y estratégico en todos los países en desarrollo, prácticamente en todas las universidades se ofrece como carrera profesional, y en algunas universidades y centros de investigación como maestría y doctorado, ya que hoy en día es una línea de investigación prioritaria.

Tetsuro Mori Ingeniero japonés

fig_tetsuro

El ingeniero japonés Tetsuro Mori fue quien acuñó la palabra mechatronics en 1969 cuando trabaja en la empresa Yaskawa. Hoy en día, el concepto de mecatrónica se ha convertido en una especialidad que se ofrece como carrera prácticamente en todas las universidades y centros de investigación nacionales e internacionales. También se desarrolla como línea de investigación científica por lo cual se ofrece como postgrado en sus niveles de maestría y doctorado.

George C. Devol, patentó en 1948 el primer manipulador programable percusor del robot industrial. En 1954 diseñó el primer robot programable flexible, adaptable al entorno y de fácil manejo para traslado de objetos. En 1956, Devol se asocia con Joseph Engelberger para fundar la primera compañía fabricante de robots Consolidated Controls Corporation, que más tarde se convierte en Unimation (Universal Automation). En 1960 instalaron en General Motors el primer robot industrial de la historia, el Unimate para levantar y apilar grandes piezas de metal caliente, esta máquina tenía un peso de 1800 kg. En 1978 el primer robot programable de Devol se transformaría en el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Este robot PUMA era capaz de mover un objeto con cualquier orientación.

George Charles Devol

(1912-2011)

Inventor norteamericano

fig_devol

George Charles Devol nació en febrero de 1912 en Louisville, Kentucky, USA. Devol fue fundador del primer robot industrial, en asociación con Joseph F. Engelberger fundó Unimation, la primera empresa de robótica de la historia. Devol estableció las bases del robot industrial moderno. El concepto básico multi-articulado y configuración antropomórfica de la estructura mecánica del PUMA ha sido la base en la mayoría de los robots industriales de la actualidad.

El concepto de mecatrónica pasó inadvertido por más de una década, y fue retomado por escuelas europeas, principalmente por The Danish Mechatronics Association, The Mechatronics Group of Finland, The Hungarian Mechatronics Association, y diversos centros de diseño en Italia, Inglaterra, Alemania y Suecia, principalmente. La evolución del concepto original de Mecatrónica desarrollado en Yaskawa, bajo la perspectiva europea, dio como resultado la inclusión de la ingeniería informática en dicho concepto, a fin de no sólo incorporar elementos mecánicos controlados por sistemas electrónicos, sino también incorporar en las máquinas teoría y aplicaciones de inteligencia artificial.

Hoy en día, la generación del conocimiento y desarrollo de la tecnología (ver figura 1.2) han dotado a los sistemas mecatrónicos como herramientas claves para automatizar una amplia gama de aplicaciones.

fig_01_02

Figura 1.2 Áreas incorporadas a la mecatrónica.

tachuela

Origen de la mecatrónica en México

El Dr. Emilio Vargas Soto es pionero de la ingeniería mecatrónica en México, en particular se dio a la tarea de diseñar y proponer un nuevo esquema de programa educativo con base en esta nueva área moderna. En el año de 1992 fundó el primer programa de la carrea de ingeniería mecatrónica en la Universidad Anahuac México Sur. Además el Dr. Vargas es fundador de la Asociación Mexicana de Mecatrónica, A. C., e instituyó un foro académico de calidad científica conocido como Congreso Mexicano de Mecatrónica COMROB (www.mecamex.net).

A la fecha, más del 92 % de los estados de la república mexicana ofrece la carrera de mecatrónica, y varios instituciones y centros de investigación la cultivan como línea de investigación a través de maestrías y doctorados.

Debido a la naturaleza multidisciplinaria de la ingeniería mecatrónica y las tecnologías que incorpora tiene aplicaciones directas en la industria, experimentos científicos, aparatos electrodomésticos, áreas de la medicina como neurología, cardiología, quirófanos, fisioterapia, biotecnología, etc. Esto significa, que en la actualidad mecatrónica representa un concepto y estilo de vida.

La mecatrónica no es solamente una estructura conveniente para estudios de investigación desde el punto de vista científico; hoy en día, representa un modo de vida para la práctica de ingeniería moderna. La introducción del microprocesador a principios de los 80’s y el rendimiento en función del costo optimizado, revolucionó el paradigma de diseño en ingeniería. El número de productos que están siendo desarrollados con la intersección de las disciplinas tradicionales de ingeniería, ciencias exactas, computacionales, naturales están aumentando. Nuevos desarrollos en estas disciplinas están siendo absorbidos en el diseño mecatrónico a un paso acelerado. La revolución tecnológica de la información en curso, los avances de las comunicaciones inalámbricas, automatización, diseño de sensores inteligentes habilitados por tecnología MEMS, nanotecnología y sistemas empotrados (embebed systems) asegura que el paradigma de diseño de ingeniería mecatrónica continuará evolucionando en este siglo XXL

Turing describió en términos matemáticos precisos cómo un sistema automático con reglas extremadamente simples podía efectuar toda clase de operaciones matemáticas expresadas en un lenguaje formal determinado. La máquina de Turing era tanto un ejemplo de su teor´ıa de computación como una prueba de que un cierto tipo de máquinacomputadora podía ser construida.

La Segunda Guerra Mundial ofreció un insospechado marco de aplicación práctica de sus teorías, al surgir la necesidad de descifrar los mensajes codificados que la marina alemana empleaba para enviar instrucciones a los submarinos que hostigaban los convoyes de ayuda material enviados desde Estados Unidos.

Turing, al mando de una división de la Inteligencia británica, diseñó tanto los procesos como las máquinas que eran capaces de efectuar cálculos combinatorios mucho más rápido que cualquier ser humano, fueron decisivos en la ruptura final del código. Definió además un método teórico para decidir si una máquina era capaz de pensar como un hombre (test de Turing) y realizó contribuciones a otras ramas de la matemática aplicada, como la aplicación de métodos analíticos y mecánicos al problema biológico de la morfogénesis.

Alan Turing (1912-1954)

Matemático

británico

fig_turing

Alan Mathison Turing nació el 23 de julio de 1912 en la Gran Bretaña. Pasó sus primeros trece años en la India, donde su padre trabajaba en la administración colonial. De regreso al Reino Unido, estudió en el King’s College y tras su graduación, se trasladó a la universidad estadounidense de Princeton, donde trabajó con A. Church. En 1937 publicó un célebre artículo en el que definió una máquina calculadora de capacidad infinita (máquina de Turing) que operaba basándose en una serie de instrucciones lógicas, sentando así las bases del concepto moderno de algoritmo. Debido a problemas personales, el 7 de junio de 1954 Turing decidió terminar con su vida mordiendo una manzana a la cual le había inyectado cianuro. Este hecho dio motivo al icono de la manzana mordida gen_apple_g que hace referencia a las contribuciones científicas de Alan Turing.

gen_002 1.2.1 ¿Qué es mecatrónica?

La definición original de mecatrónica establecida por Tetsuro Mori en 1969 en la compañía Yaskawa tuvo la siguiente forma:

La palabra mecatrónica está compuesta por meca que representa mecanismo y trónica que denota el sistema electrónico, el concepto fundamental es incorporar electrónica y tecnología en los mecanismos que forman parte de la línea de producción, de tal forma que el sistema resultante se fusione en uno solo.

La definición de mecatrónica ha evolucionado desde el concepto original de Yaskawa por Tetsuro Mori en 1969. La filosofía de la empresa Yaskawa, basada en el desarrollo del conocimiento y la búsqueda de la calidad de vida de una sociedad, permitieron en 1982 el libre uso del término.

Una definición ampliamente citada ha sido la presentada por Harashima, Tomizuka y Fukada en 1996 y retomada por la UNESCO, la cual se establece de la siguiente forma:

Mecatrónica es la integración sinérgica de ingeniería mecánica, con la electrónica y el control inteligente por computadora en el diseño y manufactura de productos y procesos industriales.

En ese mismo año, otra definición de mecatrónica fue sugerida por Auslander y Kempf quienes la establecieron de la siguiente forma:

Mecatrónica es una metodología usada para el diseño óptimo de productos electromecánicos.

En 1996, en la primera publicación de la revista Transactions on Mechatronics de la sociedad IEEE/AS ME, Harshama, F., Tomizuka, M. y Fukuda, T. definieron mecatrónica como a continuación se indica:

La combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, control electrónico y los sistemas inteligentes en el diseño de productos y procesos de manufactura.

En 2008 apareció otra definición para un sistema mecatrónico de la siguiente manera (ver Mechatronics: a multidíscíplinary approach. Willian Bolton):

Un sistema mecatrónico no sólo es la unión de sistemas electrónicos y mecánicos más el sistema de control; es una integración completa de todos estos sistemas en la cual existe un enfoque concurrente al diseño.

Si bien todas estas definiciones y afirmaciones sobre mecatrónica son informativas y certeras, cada una de ellas falla en capturar la totalidad de la mecatrónica. A pesar de esfuerzos continuos para definir mecatrónica, clasificar productos mecatrónicos y desarrollar un currículum estándar de mecatrónica, en la actualidad se carece de una opinión consciente para describir en forma completa el área de mecatrónica. A pesar de esto, por