Mechatroninės sistemos: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 12 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Nuolatinės srovės varikliai

Inkaro grandinė
V = E + IaRa
Priešelektrovara ir momentas
E = k·ω, T = k·Ia
Greitis
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tuščiosios eigos greitis ir stabdymo momentas
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Galios
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Paleidimas
Istart = V/(Ra + Rst)
Greičio reguliavimas
SR = (n0 − nFL)/nFL
Didžiausia išvystoma galia
Pmax = V²/(4Ra)
Pertraukiklio pavara
Va = D·Vdc

Metodas

  1. Nubraižykite inkaro grandinę: maitinimas V, varža Ra ir priešelektrovara E nuosekliai.
  2. Įtampai, srovei ir priešelektrovarai susieti naudokite V = E + Ia·Ra.
  3. Greičiui naudokite E = k·ω, o momentui T = k·Ia, kai ω = 2π·n/60.
  4. Galiai ir naudingumui pradėkite nuo V·Ia, atimkite vario nuostolius Ia²·Ra, o tada sukimosi nuostolius.

Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Sukibę krumpliaračiai
n1·N1 = n2·N2
Sukimo momentas
T2 = T1·(N2/N1)·η
Galia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Daugiapakopė pavara
bendras perdavimo skaičius = pakopų perdavimo skaičių sandauga

Duomenų kaupimas ir diskretizavimas

Naikvisto kriterijus
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Persiklojimo dažnis
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Žingsnio dydis
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Kvantavimo paklaida (apvalinimas)
±½ LSB
Nupjaunantis ADC kodas
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bitų skaičius skiriamajai gebai r
2ᴺ ≥ span/r
Idealus SQNR, pilnos skalės sinusas
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Duomenų sparta
kanalai × fs × N bit/s
Multipleksuojamas ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bitų vienam baitui; baitai/s = baud/bitai viename kadre
Baud spartos daliklis
baud = fclk/(16·D)

Metodas

  1. Užsirašykite, kas duota: diskretizavimo dažnį, signalo dažnius, bitų skaičių, įėjimo ruožą, baud spartą.
  2. Diskretizavimo uždaviniuose kiekvieną dažnį palyginkite su fs/2; aukštesnis dažnis pasirodo ties fa = |f − k·fs|, kai imamas artimiausias fs kartotinis.
  3. Skiriamosios gebos uždaviniuose raskite 1 LSB = VFSR/2ᴺ arba mažiausią N, su kuriuo 2ᴺ ≥ ruožas/skiriamoji geba.
  4. Duomenų spartos ir UART ryšio uždaviniuose suskaičiuokite viską, kas siunčiama: kanalus, atskaitas per sekundę, bitus ar sveikus baitus vienai atskaitai ir kiekvieno kadro starto, lyginumo ir stabdos bitus.

Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai

Daliklių įtampos
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Išskirta
Vab = Va − Vb
Balansas
R1/R2 = R3/R4
Slankiosios vielos tiltas
R/Rx = l/(100 − l)
Tevenino varža
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Tenzojautrumo koeficientas
ΔR/R = GF·ε
Tilto išėjimas
ketvirtinis Vs·GF·ε/4, pusinis Vs·GF·ε/2, pilnas Vs·GF·ε
Mažas pokytis, viena svirtis
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Įtempis
σ = E·ε

Metodas

  1. Tiltą laikykite dviem įtampos dalikliais ant to paties šaltinio.
  2. Pusiausvyrai nustatykite R₁/R₂ = R₃/R₄ ir išspręskite nežinomą rezistorių.
  3. Nesubalansuotam tiltui iš daliklių raskite Va ir Vb ir atimkite; kai prietaisas apkrauna išėjimą, naudokite Tevenino ekvivalentą.
  4. Tenzojutikliams deformaciją paverskite ΔR/R = GF·ε ir naudokite Vs·GF·ε/4, /2 arba ×1 ketvirtiniam, pusiniam ar pilnam tiltui.

Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas

Sistemos tipas
G(s) polių ties s = 0 skaičius
Paklaidos konstantos
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Šuolis A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabolė A·t²/2
ess = A/Ka
PID reguliatorius
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Antrosios eilės tikslas
s² + 2ζωns + ωn²
Viršijimas ir laiko rodikliai
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metodas

  1. Suskaičiuokite atvirojo kontūro C(s)·G(s) polius ties s = 0: tai yra sistemos tipas.
  2. Apskaičiuokite įėjimui tinkančią paklaidos konstantą: Kp šuoliui, Kv rampai, Ka parabolei.
  3. Taikykite ess = A/(1 + Kp), A/Kv arba A/Ka arba išspręskite jį reikiamam stiprinimui.
  4. Slopinimo ar greičio reikalavimui užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir sulyginkite jį su s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Uždaviniai

1.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis
T (N·m)n (rpm)0,4 N·mn0​n = ?

Nuolatinės srovės variklis (k = 0,2 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) maitinamas 24 V ir sukasi apkrovos momentu 0,4 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.

V = 24 Vk = 0,2 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 0,4 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
+−110 VRa​ = 2 ΩM+−En = ?T = 3,6 N·m

Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 0,6 V·s/rad esant pilnam laukui, Ra = 2 Ω, V = 110 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 3,6 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 80 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.

V = 110 Vk = 0,6 V·s/radRa = 2 ΩT = 3,6 N·mΦ = 80 %
n = rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
d1​ = 120 mmd2​ = 500 mm2880 rpmn2​ = ?

120 mm skriemulys sukasi 2880 rpm ir diržu suka 500 mm skriemulį, slydimas 4 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.

n1 = 2880 rpmd1 = 120 mmd2 = 500 mms = 4 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Ns​ = 16vainikas nejudamasNp​ = 12nc​ = ?

Planetinėje pavaroje saulės krumpliaratis turi 16 dantų, o kiekvienas satelitas – 12 dantų. Vainikinis krumpliaratis nejudamas, o saulės krumpliaratis sukamas 1440 rpm greičiu. Raskite vedžiklio sukimosi greitį nc.

Ns = 16Np = 12ns = 1440 rpm
nc = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
Vin​N = 8VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Raskite idealų signalo ir kvantavimo triukšmo santykį SQNR 8 bitų ADC pilnos skalės sinusinei bangai.

N = 8
SQNR = dB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​20 MHz / (16·D)

Mikrovaldiklis su 20 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 4800 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).

fclk = 20 MHznorima = 4800 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
+−12 VR1​ = 300 ΩR2​ = 100 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 150 ΩabGRg​ = 200 Ω

Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 12 V) prijungtas 200 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.

Vs = 12 VR1 = 300 ΩR2 = 100 ΩR3 = 120 ΩR4 = 150 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
+−3 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 3 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2, o deformacija 750 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.

Vs = 3 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūras, kurio G(s) = K/(s(s + 5)), turi sekti rampą r(t) = 5t su 0,02 nusistovėjusiąja paklaida. Raskite stiprinimą K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0,02
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
R(s)+K = 162s(s + 8)C(s)−

Proporcinis reguliatorius K = 16 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 8)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.

G(s) = 2/(s(s + 8))K = 16
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 258/(s² + 14s + 86), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.

G(s) = 258/(s² + 14s + 86)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
+−12 VR = 45 ΩL = 500 mHC = 10 µFvC​

Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 45 Ω, L = 500 mH ir C = 10 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite didžiausią kondensatoriaus įtampą vC,max.

R = 45 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 12 V
vC,max = V

3Tirpalai

1.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: n = 1098 rpm

Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.

Inkaro srovė

Ia = T/k = 0,4/0,2 = 2 A

Priešelektrovara ir greitis

E = 24 − 2·0,5 = 23 V
ω = E/k = 115 rad/s → n = 1098 rpm

Atsakymas

n = 1098 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: n = 1890 rpm

Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.

Susilpnintoji variklio konstanta

k₂ = 0,8·0,6 = 0,48 V·s/rad

Naujoji inkaro srovė

Ia = 3,6/0,48 = 7,5 A

Naujasis greitis

ω = (110 − 7,5·2)/0,48 = 197,9 rad/s → n = 1890 rpm

Atsakymas

n = 1890 rpm

Lauko silpninimas yra būdas, kuriuo nuolatinės srovės pavara veikia didesniu nei bazinis greičiu.

3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Atsakymas: n2 = 663,6 rpm

Diržinės pavaros: be slydimo abiejų skriemulių lanko greitis vienodas, v = π·d·n/60, todėl n₁·d₁ = n₂·d₂, o greičių santykis yra d₂/d₁. Slydimas s varomąjį skriemulį šiek tiek sulėtina: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Perduodama galia P = (T₁ − T₂)·v, kai T₁ yra įtemptosios, o T₂ – laisvosios šakos įtempimas. Trintis riboja įtempimų santykį: T₁/T₂ = eμθ, kai θ yra apkabos kampas radianais ant mažesniojo skriemulio; atviram diržui θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), kai ašių atstumas C.

Sūkių dažnis be slydimo

2880·120/500 = 691,2 rpm

Su slydimu

n2 = 691,2·0,96 = 663,6 rpm

Atsakymas

n2 = 663,6 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros

Atsakymas: nc = 411,4 rpm

Planetinės pavaros: saulės krumpliaračio, vainiko ir vedžiklio greičius sieja Viliso lygtis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: žiūrint iš vedžiklio, tai paprasta krumpliaračių pavara, kurioje satelitai yra tarpiniai krumpliaračiai. Užfiksavus vieną narį, pavara tampa reduktoriumi su vienu perdavimo skaičiumi.

Vainikinio krumpliaračio dantys

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·12 = 40

Viliso lygtis, kai vainikas nejudamas

Imkite nr = 0 ir raskite vedžiklio greitį.

(1440 − nc)/(0 − nc) = −40/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1440·16/56 = 411,4 rpm

Atsakymas

nc = 411,4 rpm

Vedžiklis sukasi ta pačia kryptimi kaip saulės krumpliaratis.

5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas

Atsakymas: SQNR = 49,92 dB

ADC skiriamoji geba: N bitų keitiklis pilnos skalės ruožą VFSR padalija į 2ᴺ kodų – nuo 0 iki 2ᴺ − 1. Vienas žingsnis yra 1 LSB = VFSR/2ᴺ: mažiausias pokytis, kurį keitiklis gali parodyti. Nupjaunantis ADC duoda kodą ⌊Vin/LSB⌋; apvalinantis ADC nuo tikrosios vertės niekada nenukrypsta daugiau kaip ½ LSB – tai jo kvantavimo paklaida. Kiekvienas papildomas bitas perpus sumažina LSB ir maždaug 6 dB padidina idealų signalo ir kvantavimo triukšmo santykį SQNR = 6,02·N + 1,76 dB pilnos skalės sinusui. Norėdami pasiekti skiriamąją gebą r per ruožą, rinkitės mažiausią N, su kuriuo 2ᴺ ≥ ruožas/r.

Idealus SQNR

SQNR = 6,02·8 + 1,76 = 49,92 dB

Atsakymas

SQNR = 49,92 dB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas

Atsakymas: e = 0,1603 %

UART: asinchroninis nuoseklusis ryšys kiekvieną baitą siunčia kaip kadrą: vienas starto bitas (žemas lygis), duomenų bitai, nebūtinas lyginumo bitas ir vienas ar du stabdos bitai (aukštas lygis). Baud sparta yra bitų skaičius per sekundę, todėl vienas bitas trunka Tb = 1/baud, o n bitų kadras – n/baud. Įprastas 8N1 formatas turi 10 bitų baitui. Baud generatorius dalija taktinį dažnį: baud = fclk/(16·D) su sveikuoju D, todėl tikroji baud sparta nuo norimos šiek tiek skiriasi; paklaida iki maždaug 2 % paprastai priimtina.

Daliklis

D = 20·10⁶/(16·4800) = 260,4 → 260

Tikroji baud sparta

20·10⁶/(16·260) = 4808 Bd

Paklaida

(4808 − 4800)/4800·100 = 0,1603 %

Atsakymas

e = 0,1603 %

Paklaida, mažesnė nei maždaug 2 %, paprastai priimtina.

7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai

Atsakymas: Ig = −10732 µA

Vitstouno tiltas: du įtampos dalikliai maitinami iš to paties šaltinio Vs. Kairysis daliklis R1–R2 duoda Va = Vs·R2/(R1 + R2), o dešinysis daliklis R3–R4 duoda Vb = Vs·R4/(R3 + R4); išėjimas yra Vab = Va − Vb. Tiltas yra subalansuotas (Vab = 0, prietaisu srovė neteka), kai R1/R2 = R3/R4, t. y. R1·R4 = R2·R3. Žiūrint nuo išėjimo, tiltas yra Tevenino šaltinis, kurio Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Tevenino įtampa

Vth = 12·(100/400 − 150/270) = −3,667 V

Tevenino varža

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 141,7 Ω

Galvanometro srovė

Ig = −3,667/(141,7 + 200) = −10732 µA

Atsakymas

Ig = −10732 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai

Atsakymas: Vo = 2,25 mV

Tenzojutikliai: jutiklio varža kinta kartu su deformacija: ΔR/R = GF·ε, kur tenzojautrumo koeficientas GF metalinei folijai yra apie 2. Tilte, kurio visos svirtys lygios R, vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas) duoda Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Du aktyvūs jutikliai su priešingomis deformacijomis gretimose svirtyse (pustiltis) duoda Vs·GF·ε/2, o keturi (pilnas tiltas) – Vs·GF·ε. Įtempis gaunamas iš Huko dėsnio, σ = E·ε. Apkrovos jutikliai savo jautrį nurodo mV/V: išėjimas esant pilnai apkrovai vienam žadinimo voltui.

Santykinis varžos pokytis

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015

Tilto išėjimas

Vo = Vs·GF·ε/2 = 3·0,0015/2 = 2,25 mV

Atsakymas

Vo = 2,25 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas

Atsakymas: K = 1250

Nusistovėjusioji paklaida: vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre, kurio atvirojo kontūro perdavimo funkcija yra G(s), paklaida yra E(s) = R(s)/(1 + G(s)), o pagal galutinės reikšmės teoremą ess = lims→0 s·E(s). Sistemos tipas yra G(s) polių ties s = 0 skaičius. Paklaidos konstantos yra Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ir Ka = lim s²·G(s), visos kai s → 0. A dydžio šuolis duoda ess = A/(1 + Kp), rampa A·t duoda A/Kv, o parabolė A·t²/2 duoda A/Ka. 0 tipo kontūras šuolį seka su baigtine paklaida, 1 tipo kontūras seka jį tiksliai, o rampą – su baigtine paklaida.

Reikiama greičio konstanta

Kv = A/ess = 5/0,02 = 250

Stiprinimas

K = 5·Kv = 1250

Atsakymas

K = 1250

Didelis stiprinimas šį kontūrą padaro labai silpnai slopinamą: ζ = 0,07071. Dėl šios prieštaros naudojami kompensatoriai.

10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas

Atsakymas: tp = 0,7854 s

P, PI ir PID valdymas: reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s veikia pagal paklaidą. Proporcinis stiprinimas pagreitina kontūrą ir sumažina 0 tipo objekto paklaidą, bet niekada jos nepanaikina. Integralinis narys prideda polių ties s = 0: sistemos tipas padidėja vienetu, o šuolis seka be paklaidos. Diferencialinis narys prideda slopinimo. Norėdami parinkti stiprinimus, užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir palyginkite jį su s² + 2ζωns + ωn². Tuomet %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, kur ωd = ωn√(1 − ζ²), o ts ≈ 4/(ζωn).

Charakteristinis daugianaris

s(s + 8) + 16·2 = s² + 8s + 32

ωₙ ir ζ

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s
ζ = 8/(2·5,657) = 0,7071

Maksimumo laikas

ωd = 5,657·√(1 − 0,7071²) = 4 rad/s
tp = π/4 = 0,7854 s

Atsakymas

tp = 0,7854 s
11.Šuolinė reakcija

Atsakymas: tp = 0,5165 s

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Palyginkite su standartine forma

Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9,274) = 0,7548

Rezultatas

ωd = 9,274·√(1 − 0,7548²) = 6,083 rad/s → tp = π/ωd = 0,5165 s

Atsakymas

tp = 0,5165 s
12.Šuolinė reakcija

Atsakymas: vC,max = 20,73 V

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·1 × 10⁻⁵) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,5) = 0,1006

Rezultatas

%OS = 72,78 %
vC,max = 12·(1 + 0,7278) = 20,73 V

Atsakymas

vC,max = 20,73 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems