Sistem Mekatronik: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 12 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Motor DC

Litar angker
V = E + IaRa
DEM balik dan tork
E = k·ω, T = k·Ia
Laju
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Laju tanpa beban dan tork tersekat
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Kuasa
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Permulaan
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulasi laju
SR = (n0 − nFL)/nFL
Kuasa terbangun maksimum
Pmax = V²/(4Ra)
Pemacu pencincang
Va = D·Vdc

Kaedah

  1. Lukis litar angker: bekalan V, rintangan Ra dan DEM balik E secara bersiri.
  2. Gunakan V = E + Ia·Ra untuk menghubungkan voltan, arus dan DEM balik.
  3. Gunakan E = k·ω untuk laju dan T = k·Ia untuk tork, dengan ω = 2π·n/60.
  4. Untuk kuasa dan kecekapan, mulakan daripada V·Ia, tolak kehilangan kuprum Ia²·Ra dan kemudian kehilangan putaran.

Gear & rangkaian gear

Gear bergigi bertaut
n1·N1 = n2·N2
Tork
T2 = T1·(N2/N1)·η
Kuasa
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rangkaian gear gubahan
nisbah keseluruhan = hasil darab nisbah peringkat

Perolehan data & pensampelan

Kriteria Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frekuensi alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Saiz langkah
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ralat pengkuantuman (pembundaran)
±½ LSB
Kod ADC pemangkasan
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit untuk resolusi r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR unggul, sinus skala penuh
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
Kadar data
saluran × fs × N bit/s
ADC termultipleks
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit setiap bait; bait/s = baud/bit setiap bingkai
Pembahagi kadar baud
baud = fclk/(16·D)

Kaedah

  1. Tuliskan apa yang diberi: kadar pensampelan, frekuensi isyarat, bilangan bit, julat input, kadar baud.
  2. Untuk soalan pensampelan, bandingkan setiap frekuensi dengan fs/2; frekuensi yang lebih tinggi muncul pada fa = |f − k·fs| dengan gandaan fs yang terdekat.
  3. Untuk soalan resolusi, cari 1 LSB = VFSR/2ᴺ, atau N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/resolusi.
  4. Untuk kadar data dan pautan UART, kira semua yang dihantar: saluran, sampel sesaat, bit atau bait penuh setiap sampel, serta bit mula, pariti dan henti bagi setiap bingkai.

Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Voltan pembahagi
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Pengeluaran
Vab = Va − Vb
Imbangan
R1/R2 = R3/R4
Jambatan wayar gelongsor
R/Rx = l/(100 − l)
Rintangan Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Faktor tolok
ΔR/R = GF·ε
Output jambatan
suku Vs·GF·ε/4, separuh Vs·GF·ε/2, penuh Vs·GF·ε
Perubahan kecil, satu lengan
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tegasan
σ = E·ε

Kaedah

  1. Anggap jambatan sebagai dua pembahagi voltan merentasi bekalan yang sama.
  2. Untuk keseimbangan, tetapkan R₁/R₂ = R₃/R₄ dan selesaikan untuk perintang yang tidak diketahui.
  3. Untuk jambatan tak seimbang, cari Va dan Vb daripada pembahagi dan tolakkannya; gunakan setara Thévenin apabila meter membebani output.
  4. Untuk tolok terikan, tukarkan terikan kepada ΔR/R = GF·ε dan gunakan Vs·GF·ε/4, /2 atau ×1 bagi jambatan suku, separuh atau penuh.

Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jenis sistem
bilangan kutub G(s) pada s = 0
Pemalar ralat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Langkah A
ess = A/(1 + Kp)
Tanjakan A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengawal PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Sasaran tertib kedua
s² + 2ζωns + ωn²
Terlajak dan pemasaan
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Kaedah

  1. Kira kutub gelung terbuka C(s)·G(s) pada s = 0: itulah jenis sistem.
  2. Hitung pemalar ralat yang sepadan dengan input: Kp untuk langkah, Kv untuk tanjakan, Ka untuk parabola.
  3. Gunakan ess = A/(1 + Kp), A/Kv atau A/Ka, atau selesaikannya untuk gandaan yang anda perlukan.
  4. Untuk spesifikasi redaman atau laju, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan padankan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Soalan latihan

1.Motor DCSederhana
T (N·m)n (rpm)18.75 N·mn0​n = ?

Motor DC (k = 0.75 N·m/A, Ra = 0.5 Ω) berjalan daripada 240 V dan memacu tork beban 18.75 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 240 Vk = 0.75 N·m/ARa = 0.5 ΩT = 18.75 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 1.2 ΩM+−En = 750 rpmT = 0.5 N·m

Motor DC (k = 0.25 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω) pada bekalan tetap 48 V memacu beban 0.5 N·m. Cari rintangan bersiri Rs yang memperlahankannya kepada 750 rpm.

V = 48 Vk = 0.25 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 0.5 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Tw​ = ?z = 1, 1450 rpm

Sebuah motor 1.5 kW pada 1450 rpm menggerakkan cacing dengan 1 permulaan. Roda cacing mempunyai 48 gigi dan pemacu itu berkecekapan 50%. Cari tork keluaran Tw pada aci roda.

z = 1Nw = 48n = 1450 rpmP = 1.5 kWη = 50%
Tw = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 25B = 60C = 25D = 60

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (25 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 2900 rpm memacu gear B (60 gigi). Gear C (25 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (60 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 2900 rpmA = 25B = 60C = 25D = 60
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?2.5 V2ᴺ − 10≤ 0.5 mV

ADC dengan julat input 0 hingga 2.5 V mesti meleraikan langkah 0.5 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.

VFSR = 2.5 Vresolusi = 0.5 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
T10 mV/°C×5∿01N = 10, 5 V? °C/LSB

Penderia suhu memberikan 10 mV/°C (0 V pada 0 °C). Isyaratnya dikuatkan 5 kali dan disalurkan kepada ADC 10-bit dengan julat 0 hingga 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Cari perubahan suhu ΔTLSB yang sepadan dengan satu LSB.

S = 10 mV/°CG = 5N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 300 Ω dan Vs = 6 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 30 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 6 VR = 300 ΩΔR = 30 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−2 mV

Tolok terikan (GF = 2) pada anggota dengan E = 110 GPa membentuk jambatan suku yang diujakan dengan 5 V. Output menunjukkan 2 mV. Cari tegasan paksi σ dalam MPa.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 2 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5t+Ks(s + 2)C(s)−

Gelung suap balik unit dengan G(s) = K/(s(s + 2)) mesti mengikut tanjakan r(t) = 5t dengan ralat keadaan mantap 0.01. Cari gandaan K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0.01
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+K2s(s + 10)C(s)−

Pengawal berkadar K memacu loji G(s) = 2/(s(s + 10)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan K yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.6.

G(s) = 2/(s(s + 10))ζ = 0.6
K =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)0.5

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 34.5/(s² + 4s + 69) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.

G(s) = 34.5/(s² + 4s + 69)
σ =
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+50s(s + 5)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 50/(s(s + 5)). Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah gelung tertutup, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 50/(s(s + 5))
ts = s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n = 2897 rpm

Motor DC: angker ialah rintangan Ra bersiri dengan DEM balik E, jadi V = E + Ia·Ra. DEM balik bertambah dengan laju, E = k·ω, dan tork dengan arus, T = k·Ia, dengan pemalar motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam unit SI. Tukarkan laju dengan ω = 2π·n/60. Kuasa terbangun ialah E·Ia = T·ω; kuasa input ialah V·Ia, dan kehilangan kuprum Ia²Ra serta kehilangan putaran menjadi bezanya. Laju menurun secara garis lurus dengan tork, ω = V/k − Ra·T/k², daripada laju tanpa beban V/k kepada sifar pada tork tersekat k·V/Ra. Pada keadaan pegun E = 0, jadi arus permulaan V/Ra adalah besar kecuali perintang mengehadkannya.

Arus angker

Ia = T/k = 18.75/0.75 = 25 A

DEM balik dan laju

E = 240 − 25·0.5 = 227.5 V
ω = E/k = 303.3 rad/s → n = 2897 rpm

Jawapan

n = 2897 rpm
2.Motor DC

Jawapan: Rs = 12.98 Ω

Motor DC: angker ialah rintangan Ra bersiri dengan DEM balik E, jadi V = E + Ia·Ra. DEM balik bertambah dengan laju, E = k·ω, dan tork dengan arus, T = k·Ia, dengan pemalar motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam unit SI. Tukarkan laju dengan ω = 2π·n/60. Kuasa terbangun ialah E·Ia = T·ω; kuasa input ialah V·Ia, dan kehilangan kuprum Ia²Ra serta kehilangan putaran menjadi bezanya. Laju menurun secara garis lurus dengan tork, ω = V/k − Ra·T/k², daripada laju tanpa beban V/k kepada sifar pada tork tersekat k·V/Ra. Pada keadaan pegun E = 0, jadi arus permulaan V/Ra adalah besar kecuali perintang mengehadkannya.

Arus dan DEM balik

Ia = 0.5/0.25 = 2 A
E = 0.25·78.54 = 19.63 V

Rintangan bersiri

Ra + Rs = (48 − 19.63)/2 = 14.18 Ω
Rs = 12.98 Ω

Jawapan

Rs = 12.98 Ω

Perintang itu membazirkan 51.93 W; pencincang mengawal laju dengan kehilangan yang jauh lebih sedikit.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Tw = 237.1 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Laju roda

nw = n·z/Nw = 1450·1/48 = 30.21 rpm

Tork keluaran

ωw = 2π·30.21/60 = 3.163 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.5·1500/3.163 = 237.1 N·m

Jawapan

Tw = 237.1 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 503.5 rpm

Rangkaian gear: gear yang bertaut mempunyai laju yang sama pada gigi, jadi n₁·N₁ = n₂·N₂: gear dengan gigi lebih sedikit berputar lebih laju. Gear pada satu aci berputar pada laju yang sama. Kuasa disalurkan (tolak kehilangan), jadi tork meningkat apabila laju menurun: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, dan P = T·ω dengan ω = 2π·n/60.

Peringkat pertama

nB = 2900·25/60 = 1208 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 1208·25/60 = 503.5 rpm

Jawapan

nout = 503.5 rpm

nisbah keseluruhan = 5.76 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 13

Resolusi ADC: penukar N-bit membahagikan julat skala penuh VFSR kepada 2ᴺ kod, dari 0 hingga 2ᴺ − 1. Satu langkah ialah 1 LSB = VFSR/2ᴺ: perubahan terkecil yang dapat ditunjukkan oleh penukar. ADC pemangkasan memberikan kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC pembundaran tidak pernah lebih daripada ½ LSB daripada nilai sebenar, iaitu ralat pengkuantumannya. Setiap bit tambahan mengurangkan LSB separuh dan menambah kira-kira 6 dB pada nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR = 6.02·N + 1.76 dB untuk sinus skala penuh. Untuk mencapai resolusi r pada suatu julat, pilih N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/r.

Langkah yang diperlukan

2500 mV/0.5 mV = 5000

Bit

log₂(5000) = 12.29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13

Jawapan

N = 13
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: ΔTLSB = 0.09766 °C

Resolusi ADC: penukar N-bit membahagikan julat skala penuh VFSR kepada 2ᴺ kod, dari 0 hingga 2ᴺ − 1. Satu langkah ialah 1 LSB = VFSR/2ᴺ: perubahan terkecil yang dapat ditunjukkan oleh penukar. ADC pemangkasan memberikan kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC pembundaran tidak pernah lebih daripada ½ LSB daripada nilai sebenar, iaitu ralat pengkuantumannya. Setiap bit tambahan mengurangkan LSB separuh dan menambah kira-kira 6 dB pada nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR = 6.02·N + 1.76 dB untuk sinus skala penuh. Untuk mencapai resolusi r pada suatu julat, pilih N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/r.

Saiz langkah

1 LSB = 5000/1024 = 4.883 mV

Kepekaan pada ADC

10·5 = 50 mV/°C

Resolusi suhu

ΔTLSB = 4.883/50 = 0.09766 °C

Jawapan

ΔTLSB = 0.09766 °C

ADC mencapai skala penuh pada 100 °C.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 142.9 mV

Jambatan Wheatstone: dua pembahagi voltan berkongsi satu bekalan Vs. Pembahagi kiri R1–R2 memberikan Va = Vs·R2/(R1 + R2) dan pembahagi kanan R3–R4 memberikan Vb = Vs·R4/(R3 + R4); outputnya ialah Vab = Va − Vb. Jambatan seimbang (Vab = 0, tiada arus dalam meter) apabila R1/R2 = R3/R4, iaitu R1·R4 = R2·R3. Dilihat dari output, jambatan ialah sumber Thévenin dengan Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Voltan nod

Va = 6·330/630 = 3.143 V
Vb = 3 V

Pengeluaran

Vab = 142.9 mV

Jawapan

Vab = 142.9 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 150 mV adalah 5 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: σ = 88 MPa

Tolok terikan: tolok mengubah rintangannya dengan terikan: ΔR/R = GF·ε, dengan faktor tolok GF kira-kira 2 untuk kerajang logam. Dalam jambatan dengan semua lengan sama dengan R, satu tolok aktif (jambatan suku) memberikan Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dua tolok aktif dengan terikan bertentangan pada lengan bersebelahan (jambatan separuh) memberikan Vs·GF·ε/2, dan empat (jambatan penuh) memberikan Vs·GF·ε. Tegasan diperoleh daripada hukum Hooke, σ = E·ε. Sel beban menyatakan kepekaannya dalam mV/V: output pada beban penuh bagi setiap volt pengujaan.

Terikan

ε = 4·0.002/(5·2) = 0.0008

Tegasan

σ = 110·10³ MPa·0.0008 = 88 MPa

Jawapan

σ = 88 MPa
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 1000

Ralat keadaan mantap: dalam gelung suap balik unit dengan fungsi pindahan gelung terbuka G(s) ralatnya ialah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan melalui teorem nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Jenis sistem ialah bilangan kutub G(s) pada s = 0. Pemalar ralat ialah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Langkah bersaiz A memberikan ess = A/(1 + Kp), tanjakan A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Gelung jenis-0 mengikut langkah dengan ralat terhingga, gelung jenis-1 mengikutnya dengan tepat dan tanjakan dengan ralat terhingga.

Pemalar halaju yang diperlukan

Kv = A/ess = 5/0.01 = 500

Gandaan

K = 2·Kv = 1000

Jawapan

K = 1000

Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.03162. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 34.72

Kawalan P, PI dan PID: pengawal C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bertindak ke atas ralat. Gandaan berkadar menjadikan gelung lebih pantas dan mengurangkan ralat loji jenis-0, tetapi tidak pernah menghapuskannya. Sebutan kamiran menambah kutub pada s = 0: jenis sistem meningkat satu, dan langkah diikuti tanpa ralat. Sebutan terbitan menambah redaman. Untuk memilih gandaan, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan bandingkannya dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomial ciri

s(s + 10) + 2K = s² + 10s + 2K

Frekuensi tabii

2·0.6·ωₙ = 10 → ωₙ = 8.333 rad/s

Gandaan

2K = ωₙ² = 69.44 → K = 34.72

Jawapan

K = 34.72
11.Sambutan langkah

Jawapan: σ = −2

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 69 → ωₙ = 8.307 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.307) = 0.2408

Keputusan

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Jawapan

σ = −2
12.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 1.6 s

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = 50/(s² + 5s + 50): ωₙ = 7.071 rad/s, ζ = 0.3536

Masa pengenapan

ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1.6 s

Jawapan

ts = 1.6 s

Bagi gelung ini ζωₙ = a/2 walau apa pun K: menaikkan K menambah lajakan tetapi tidak memendekkan masa pengenapan.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems