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)0.4 N·mn0​nFL​

Motor DC (k = 0.08 V·s/rad, Ra = 0.2 Ω) berjalan daripada 24 V. Pada beban penuh ia menarik 5 A. Dengan mengabaikan arus tanpa beban, cari regulasi lajunya SR = (n₀ − nFL)/nFL dalam peratus.

V = 24 Vk = 0.08 V·s/radRa = 0.2 ΩIFL = 5 A
SR = %
2.Motor DCSukar
T (N·m)n (rpm)2.4 N·m1000 rpm

Motor DC dengan k = 0.3 V·s/rad dan Ra = 0.2 Ω mesti memacu beban 2.4 N·m pada 1000 rpm. Cari voltan angker V yang diperlukannya.

k = 0.3 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 2.4 N·mn = 1000 rpm
V = V
3.Gear & rangkaian gearSederhana
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm2880 rpmn2​ = ?

Takal 100 mm pada 2880 rpm memacu takal 200 mm melalui tali sawat dengan gelinciran 1 %. Cari laju n2 takal yang dipacu.

n1 = 2880 rpmd1 = 100 mmd2 = 200 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 32B = 60C = 24D = 60

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (32 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 2900 rpm memacu gear B (60 gigi). Gear C (24 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (60 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 2900 rpmA = 32B = 60C = 24D = 60
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
124⋮4 ch∿01N = 1610 kHz? MB

Perakam mensampel 4 saluran pada 10 kHz setiap satu dengan ADC 16-bit. Setiap sampel disimpan dalam bait penuh. Cari ingatan M yang diperlukan untuk rakaman 1 min, dalam MB (1 MB = 10⁶ bait).

n = 4fs = 10 kHzN = 16t = 1 min
M = MB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​2 MHz / (16·D)

Mikropengawal dengan jam 2 MHz menetapkan kadar baud UART-nya sebagai fclk/(16·D), dengan D nombor bulat yang dibundarkan kepada nilai terdekat. Sasarannya ialah 38400 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).

fclk = 2 MHzsasaran = 38400 Bd
e = %
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 1000 Ω dan Vs = 6 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 250 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 6 VR = 1000 ΩΔR = 250 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Jambatan dengan lengan 350 Ω diujakan dengan 5 V dan mempunyai satu tolok aktif (jambatan suku). Faktor tolok ialah 2 dan terikan ialah 800 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.

Vs = 5 VGF = 2ε = 800 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 10t+Ks(s + 4)C(s)−

Gelung suap balik unit dengan G(s) = K/(s(s + 4)) mesti mengikut tanjakan r(t) = 10t dengan ralat keadaan mantap 0.01. Cari gandaan K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 10tess = 0.01
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+K10s(s + 10)C(s)−

Pengawal berkadar K memacu loji G(s) = 10/(s(s + 10)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan K yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.707.

G(s) = 10/(s(s + 10))ζ = 0.707
K =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 10/(s² + 3s + 10) dan menerima input langkah unit. Cari nisbah redaman ζ.

G(s) = 10/(s² + 3s + 10)
ζ =
12.Sambutan langkahSukar
+−10 VR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 30 Ω, L = 20 mH dan C = 22 µF disambungkan kepada langkah 10 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari masa tp bagi puncak voltan pertama, dalam ms.

R = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µFV = 10 V
tp = ms

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: SR = 4.348 %

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.

Laju tanpa beban dan beban penuh

n₀ = 60·24/(2π·0.08) = 2865 rpm
nFL = 60·(24 − 5·0.2)/(2π·0.08) = 2745 rpm

Regulasi laju

SR = (2865 − 2745)/2745·100 = 4.348 %

Jawapan

SR = 4.348 %
2.Motor DC

Jawapan: V = 33.02 V

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.

DEM balik

E = 0.3·104.7 = 31.42 V

Arus angker

Ia = 2.4/0.3 = 8 A

Voltan angker

V = 31.42 + 8·0.2 = 33.02 V

Jawapan

V = 33.02 V
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: n2 = 1426 rpm

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Laju tanpa gelinciran

2880·100/200 = 1440 rpm

Dengan gelinciran

n2 = 1440·0.99 = 1426 rpm

Jawapan

n2 = 1426 rpm
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 618.7 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 = 2900·32/60 = 1547 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 1547·24/60 = 618.7 rpm

Jawapan

nout = 618.7 rpm

nisbah keseluruhan = 4.687 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: M = 4.8 MB

Kadar data: setiap saluran menyampaikan fs sampel sesaat bagi N bit, jadi kadar mentah ialah saluran × fs × N bit/s. Dalam ingatan, satu sampel mengambil bait penuh (sampel 12-bit disimpan dalam 2 bait), jadi ingatan untuk rakaman ialah saluran × fs × bait setiap sampel × masa. ADC termultipleks menukar saluran satu demi satu: setiap penukaran (dengan pemenapan) mengambil t, jadi satu pusingan n saluran mengambil n·t dan setiap saluran disampel pada 1/(n·t).

Bait setiap sampel

⌈16/8⌉ = 2 B

Kadar bait

4·10000·2 = 80000 B/s

Ingatan

M = 80000·60 = 4.8 × 10⁶ B = 4.8 MB

Jawapan

M = 4.8 MB
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: e = 8.507 %

UART: pautan bersiri tak segerak menghantar setiap bait sebagai bingkai: satu bit mula (rendah), bit data, satu bit pariti pilihan dan satu atau dua bit henti (tinggi). Kadar baud ialah bilangan bit sesaat, jadi satu bit berlangsung Tb = 1/baud dan bingkai n bit berlangsung n/baud. Format 8N1 yang biasa mempunyai 10 bit setiap bait. Penjana baud membahagikan jam: baud = fclk/(16·D) dengan nombor bulat D, jadi kadar baud sebenar berbeza sedikit daripada sasaran; ralat di bawah kira-kira 2 % biasanya boleh diterima.

Pembahagi

D = 2·10⁶/(16·38400) = 3.255 → 3

Kadar baud sebenar

2·10⁶/(16·3) = 41667 Bd

Ralat

(41667 − 38400)/38400·100 = 8.507 %

Jawapan

e = 8.507 %

Ralat melebihi kira-kira 2 % menjadikan pautan tidak boleh dipercayai: pilih jam atau kadar baud yang lain.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 333.3 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 = 6·1250/2250 = 3.333 V
Vb = 3 V

Pengeluaran

Vab = 333.3 mV

Jawapan

Vab = 333.3 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 375 mV adalah 12.5 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 2 mV

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.

Perubahan rintangan relatif

ΔR/R = 2·800·10⁻⁶ = 0.0016

Output jambatan

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0.0016/4 = 2 mV

Jawapan

Vo = 2 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 4000

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 = 10/0.01 = 1000

Gandaan

K = 4·Kv = 4000

Jawapan

K = 4000

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 = 5.002

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) + 10K = s² + 10s + 10K

Frekuensi tabii

2·0.707·ωₙ = 10 → ωₙ = 7.072 rad/s

Gandaan

10K = ωₙ² = 50.02 → K = 5.002

Jawapan

K = 5.002
11.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.4743

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 = 10 → ωₙ = 3.162 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.162) = 0.4743

Keputusan

ζ = 0.4743

Jawapan

ζ = 0.4743
12.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 2.402 ms

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).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·2.2 × 10⁻⁵) = 1508 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (30/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.02) = 0.4975

Keputusan

ωd = 1308 rad/s
tp = π/ωd = 2.402 ms

Jawapan

tp = 2.402 ms

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems