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)4.8 N·mn0​n = ?

Motor DC (k = 1.2 N·m/A, Ra = 1.5 Ω) berjalan daripada 120 V dan memacu tork beban 4.8 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 120 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1.5 ΩT = 4.8 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
+−240 VRa​ = 0.8 ΩIa​: 12 → 6 AM+−En = ?T

Motor DC teruja berasingan pada 240 V (Ra = 0.8 Ω) berjalan pada 1200 rpm dengan arus angker 12 A. Beban berubah dan arus menjadi 6 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.

V = 240 VRa = 0.8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 12 AIa2 = 6 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 16N2​ = 45

Sebuah motor 7.5 kW yang berputar pada 1500 rpm memacu pinion 16 gigi, yang bertaut dengan gear 45 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 96%. Cari tork T1 pada aci motor.

P = 7.5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 45η = 96%
T1 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 16B = 30C = 18D = ?

Dalam alur gear majmuk, gear A (16 gigi) pada aci masukan berputar pada 2880 rpm dan menggerakkan gear B (30 gigi). Gear C (18 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan menggerakkan gear D pada aci keluaran. Keluaran mesti berputar pada 345.6 rpm. Berapakah bilangan gigi ND yang mesti dimiliki oleh gear D?

nin = 2880 rpmA = 16B = 30C = 18nout = 345.6 rpm
ND =
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?1 V2ᴺ − 10≤ 0.1 mV

ADC dengan julat input 0 hingga 1 V mesti meleraikan langkah 0.1 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.

VFSR = 1 Vresolusi = 0.1 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
f0fs​/2fs​440 Hz3f₁?

Gelombang segi empat 440 Hz disampel pada 2 kHz tanpa penapis anti-alias. Gelombang segi empat mengandungi harmonik ganjil 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Pada frekuensi fa yang manakah harmonik 3f₁ muncul dalam data tersampel? Berikan dalam Hz.

f₁ = 440 Hzfs = 2 kHzharmonik: 3f₁
fa = Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−10 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 220 Ω dan Vs = 10 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 44 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 10 VR = 220 ΩΔR = 44 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

Tolok terikan 120 Ω dengan faktor tolok 2.12 dilekatkan pada bar keluli. Di bawah beban rintangannya naik sebanyak 0.3053 Ω. Cari terikan ε dalam mikroterikan (µε).

R = 120 ΩGF = 2.12ΔR = 0.3053 Ω
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberikan ralat keadaan mantap 2 % untuk input langkah.

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 2 %
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
r(t) = 1t+2 + 5/s2(s + 1)(s + 2)C(s)−

Pengawal PI C(s) = 2 + 5/s memacu loji G(s) = 2/((s + 1)(s + 2)) dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk input tanjakan r(t) = 1t.

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 2/((s + 1)(s + 2))r(t) = 1t
ess =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 27/(s² + 3s + 27) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 27/(s² + 3s + 27)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)150 %

Sistem peringkat kedua tanpa sifar mesti mempunyai sambutan langkah dengan lajakan 50 %. Cari nisbah redaman ζ.

%OS = 50 %
ζ =

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n = 907.2 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 = 4.8/1.2 = 4 A

DEM balik dan laju

E = 120 − 4·1.5 = 114 V
ω = E/k = 95 rad/s → n = 907.2 rpm

Jawapan

n = 907.2 rpm
2.Motor DC

Jawapan: n2 = 1225 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.

DEM balik sebelum dan selepas

E1 = 240 − 12·0.8 = 230.4 V
E2 = 240 − 6·0.8 = 235.2 V

Laju baharu

n2 = 1200·235.2/230.4 = 1225 rpm

Jawapan

n2 = 1225 rpm
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: T1 = 47.75 N·m

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.

Tork motor

ω₁ = 2π·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157.1 = 47.75 N·m

Jawapan

T1 = 47.75 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: ND = 80

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 aci perantaraan

nB = nC = 2880·16/30 = 1536 rpm

Gigi pada gear D

ND = C·nC/nout = 18·1536/345.6 = 80

Jawapan

ND = 80
5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 14

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

1000 mV/0.1 mV = 10000

Bit

log₂(10000) = 13.29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14

Jawapan

N = 14
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fa = 680 Hz

Pensampelan: ADC mengukur isyarat fs kali sesaat. Menurut teorem Nyquist–Shannon, frekuensi f ditangkap dengan betul hanya selagi f < fs/2, frekuensi Nyquist (lipatan), jadi kadar pensampelan mesti melebihi dua kali ganda frekuensi isyarat tertinggi. Frekuensi yang lebih tinggi tidak hilang: ia muncul sebagai alias pada fa = |f − k·fs|, dengan nombor bulat k yang membawa hasilnya antara 0 dan fs/2. Sampel tidak dapat membezakan kedua-duanya, jadi penapis anti-alias analog mesti membuang semua yang di atas fs/2 sebelum ADC.

Frekuensi harmonik

3f₁ = 3·440 Hz = 1.32 kHz

Gandaan kadar pensampelan yang terdekat

m = round(0.66) = 1

Frekuensi alias

fa = |1320 − 1·2000| = 680 Hz

Jawapan

fa = 680 Hz

Alias mendarat di dalam jalur isyarat, di mana tiada penapis digital boleh membuangnya. Hanya penapis analog sebelum ADC yang membantu.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 454.5 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 = 10·264/484 = 5.455 V
Vb = 5 V

Pengeluaran

Vab = 454.5 mV

Jawapan

Vab = 454.5 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 500 mV adalah 10 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ε = 1200 µε

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 = 0.3053/120 = 0.002544

Terikan

ε = 0.002544/2.12 = 0.0012 = 1200 µε

Jawapan

ε = 1200 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 1960

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 ralat yang diperlukan

1/(1 + Kp) = 0.02 → Kp = 49

Gandaan

K/40 = 49 → K = 1960

Jawapan

K = 1960

Semak juga kestabilan gelung tertutup: untuk gelung tertib kedua ini sebarang K > 0 adalah stabil.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 0.2

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).

Pemalar halaju

s·C(s) = 2s + 5 → 5 apabila s → 0.

Kv = 5·2/2 = 5

Ralat tanjakan

ess = 1/5 = 0.2

Jawapan

ess = 0.2

Pengawal PI menghapuskan ralat langkah sepenuhnya; tanjakan diikuti dengan ketinggalan malar.

11.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 5.196 rad/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).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 27 → ωₙ = 5.196 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5.196) = 0.2887

Keputusan

ωₙ = 5.196 rad/s

Jawapan

ωn = 5.196 rad/s
12.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.2155

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).

Nisbah redaman

ζ = −ln(0.5)/√(π² + ln²(0.5)) = 0.6931/√(9.87 + 0.4805) = 0.2155

Jawapan

ζ = 0.2155

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems