النظم الميكاترونية: مسائل تدريبية وأسئلة امتحانات

الميكانيك والإلكترونيات والتحكم تعمل معًا: محركات التيار المستمر وعلب التروس كمشغّلات، ومقاييس الانفعال ونظم اكتساب البيانات كمستشعرات، والتحكم بالتغذية الراجعة مع استجابته العابرة. تتتبع مسائل الامتحان الإشارة من المستشعر إلى المتحكم ثم إلى المحرك وتطلب رقمًا واحدًا في الطريق.

حزمة المراجعة المكثفة (PDF)أوراق قوانين وخطوات الحل ومسائل تدريبية بحلولها الكاملة، جاهزة للطباعة.

مواضيع هذا المقرّر

  1. محركات التيار المستمرالقوة الدافعة العكسية والتيار والعزم · السرعة–العزم والكفاءة · البدء والتحكم في السرعةحسابات
  2. التروس ومجموعات التروسنسبة السرعة · العزم والقدرة · مجموعة تروس مركّبةحسابات
  3. اكتساب البيانات وأخذ العيناتنيكويست وLSB ومعدلات البيانات · التداخل الطيفي والبتات وإطارات UART · التوافقيات وSQNR وتصميم النظامحسابات
  4. قنطرة ويتستون ومقاييس الانفعالالاتزان وجهود العقد · القناطر غير المتزنة · مقاييس الانفعال وخلايا الحملحسابات
  5. خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDنوع النظام وثوابت الخطأ · أخطاء الحالة المستقرة والكسب · تصميم P وPI وPDحسابات
  6. الاستجابة الخطويةأنظمة الرتبة الأولى · معاملات الرتبة الثانية · الأنظمة الفيزيائية والتصميمحسابات

نصائح امتحان النظم الميكاترونية

  • علبة التروس تبادل السرعة بالعزم: وتبقى القدرة (تقريبًا) كما هي.
  • تحقق من معدل أخذ العينات ودقة كل سلسلة قياس بالنسبة إلى الإشارة التي عليها التقاطها.
  • حوّل rpm إلى rad/s قبل استخدام معادلات المحرك أو التحكم.

أمثلة محلولة

محركات التيار المستمرسهلة
+−120 VRa​Ia​ = 8 AM+−EωT = ?

لمحرك تيار مستمر بمغناطيس دائم ثابت عزم k = 0,6 N·m/A. أوجد العزم T الذي يولّده عند تيار عضو إنتاج 8 A.

k = 0,6 N·m/AIa = 8 A

المطلوب: T (N·m)

أظهر التلميحات
  1. يربط ثابت العزم بين العزم وتيار عضو الإنتاج.
  2. T = k·Ia.
  3. T = 0,6·8.
أظهر الإجابة والحل خطوة بخطوة

محرك التيار المستمر: ملف عضو الإنتاج مقاومة Ra على التوالي مع القوة الدافعة الكهربائية العكسية E، لذا V = E + Ia·Ra. تزداد القوة الدافعة العكسية مع السرعة، E = k·ω، ويزداد العزم مع التيار، T = k·Ia، بثابت المحرك k نفسه (V·s/rad = N·m/A) في وحدات SI. حوّل السرعات بالعلاقة ω = 2π·n/60. القدرة المتولدة هي E·Ia = T·ω؛ وقدرة الدخل هي V·Ia، ويمثل فقد النحاس Ia²Ra والفقد الدوراني الفرق بينهما. تنخفض السرعة خطيًا مع العزم، ω = V/k − Ra·T/k²، من سرعة اللاحمل V/k إلى الصفر عند عزم التوقف k·V/Ra. وعند السكون E = 0، فيكون تيار البدء V/Ra كبيرًا ما لم تحدّه مقاومة.

العزم

T = k·Ia = 0,6·8 = 4,8 N·m

الإجابة

T = 4,8 N·m

في وحدات SI يكون k نفسه ثابت القوة الدافعة العكسية بوحدة V·s/rad.

التروس ومجموعات التروسمتوسطة
N1​ = 16N2​ = 80

محرك قدرته 7,5 kW يعمل بسرعة 1450 rpm يدير ترسًا صغيرًا (بنيون) له 16 سنًّا، يتعشّق مع ترس له 80 سنًّا. كفاءة زوج التروس 98%. أوجد عزم الخرج T2 على عمود الترس.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 80η = 98%

المطلوب: T2 (N·m)

أظهر التلميحات
  1. عزم المحرك من القدرة: T = P/ω، حيث ω = 2π·n/60 بوحدة rad/s.
  2. ω₁ = 151,8 rad/s.
  3. يضاعف الترس العزم بالنسبة N₂/N₁ (ويفقد قليلًا بسبب الاحتكاك).
أظهر الإجابة والحل خطوة بخطوة

مجموعات التروس: للتروس المتعشّقة السرعة نفسها عند الأسنان، لذا n₁·N₁ = n₂·N₂: الترس ذو الأسنان الأقل يدور أسرع. التروس المثبّتة على عمود واحد تدور بالسرعة نفسها. تُنقل القدرة (مطروحًا منها الفواقد)، لذا يرتفع العزم عندما تنخفض السرعة: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η، و P = T·ω حيث ω = 2π·n/60.

عزم المحرك

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/151,8 = 49,39 N·m

عزم الخرج

T2 = 49,39·80/16·0,98 = 242 N·m

الإجابة

T2 = 242 N·m

كيف يعمل التدريب

  • يمزج «تدرّب على هذا المقرّر» مسائل من كل مواضيعه، كما في امتحان حقيقي.
  • لكل مسألة قيم جديدة، فتتعلّم الطريقة بدلًا من حفظ إجابة.
  • هل علِقت؟ افتح تلميحًا صغيرًا أولًا، والشرح الكامل فقط عندما تحتاج إليه.
  • الامتحانات التجريبية محدّدة بوقت ومن دون تلميحات، وتحصل في النهاية على درجتك ومراجعة كاملة.

آلات حاسبة لهذا المقرّر

مقرّرات ذات صلة