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)n0​ = ?

Motor DC dengan k = 0.8 V·s/rad berjalan daripada 120 V. Dengan mengabaikan semua kehilangan pada keadaan tanpa beban, cari laju tanpa bebannya n0 dalam rpm.

V = 120 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motor DCSukar
+−220 VRa​ = 0.5 ΩIa​: 25 → 10 AM+−En = ?T

Motor DC teruja berasingan pada 220 V (Ra = 0.5 Ω) berjalan pada 1500 rpm dengan arus angker 25 A. Beban berubah dan arus menjadi 10 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.

V = 220 VRa = 0.5 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 25 AIa2 = 10 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 20, m = 5 mm

Sebuah motor 5.5 kW yang berjalan pada 2900 rpm menggerakkan pinion dengan 20 gigi dan modul 5 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.

P = 5.5 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 5 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
Ns​ = 18anulus tetapNp​ = 15nc​ = ?

Dalam set gear planet, gear suria mempunyai 18 gigi dan setiap gear planet mempunyai 15 gigi. Gear anulus ditahan tetap dan gear suria digerakkan pada 900 rpm. Cari laju nc pembawa planet.

Ns = 18Np = 15ns = 900 rpm
nc = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 0.1 mV

ADC dengan julat input 0 hingga 10 V mesti meleraikan langkah 0.1 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.

VFSR = 10 Vresolusi = 0.1 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Pengukuran audio memerlukan nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul sekurang-kurangnya 75 dB untuk gelombang sinus skala penuh. Cari bilangan bit ADC terkecil N.

SQNR ≥ 75 dB
N =
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 VR1​ = 250 ΩR2​ = 600 ΩR3​ = 600 ΩR4​ = 1000 ΩabGRg​ = 50 Ω

Galvanometer dengan rintangan 50 Ω disambungkan antara a dan b jambatan yang ditunjukkan (Vs = 6 V). Cari arus galvanometer Ig dari a ke b, dalam µA.

Vs = 6 VR1 = 250 ΩR2 = 600 ΩR3 = 600 ΩR4 = 1000 ΩRg = 50 Ω
Ig = µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−2.5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0.32 mV

Jambatan suku dengan satu tolok aktif (GF = 2.05) diujakan dengan 2.5 V. Di bawah beban output menunjukkan 0.32 mV. Cari terikan ε dalam µε.

Vs = 2.5 VGF = 2.05Vo = 0.32 mV
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5t+4s(s + 2)C(s)−

Tanjakan r(t) = 5t dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 4/(s(s + 2)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 4/(s(s + 2))r(t) = 5t
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+K = 251s(s + 6)C(s)−

Pengawal berkadar K = 25 memacu loji G(s) = 1/(s(s + 6)) dalam gelung suap balik unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 25
tp = s
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 74/(s² + 3s + 74) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 74/(s² + 3s + 74)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)1tp​ = 1.5 s12 %

Sambutan langkah sistem peringkat kedua tanpa sifar menunjukkan lajakan 12 %, dan puncak pertama berlaku pada t = 1.5 s. Cari frekuensi tabii ωn.

%OS = 12 %tp = 1.5 s
ωn = rad/s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n0 = 1432 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.

Laju tanpa beban

ω₀ = V/k = 120/0.8 = 150 rad/s
n0 = 60·150/(2π) = 1432 rpm

Jawapan

n0 = 1432 rpm
2.Motor DC

Jawapan: n2 = 1554 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 = 220 − 25·0.5 = 207.5 V
E2 = 220 − 10·0.5 = 215 V

Laju baharu

n2 = 1500·215/207.5 = 1554 rpm

Jawapan

n2 = 1554 rpm
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Ft = 362.2 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Tork pada pinion

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 5500/303.7 = 18.11 N·m

Diameter pic

d = m·N = 5·20 = 100 mm

Daya tangen

Ft = 2T/d = 2·18.11/0.1 = 362.2 N

Jawapan

Ft = 362.2 N
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nc = 245.5 rpm

Set gear planet: laju gear suria, anulus dan pembawa dihubungkan oleh persamaan Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: dilihat dari pembawa, set itu ialah susunan gear biasa dengan planet sebagai gear perantara. Menahan satu ahli tetap menjadikan set itu pengurang nisbah tunggal.

Gigi gear anulus

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·15 = 48

Persamaan Willis dengan anulus tetap

Tetapkan nr = 0 dan selesaikan untuk laju pembawa.

(900 − nc)/(0 − nc) = −48/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/66 = 245.5 rpm

Jawapan

nc = 245.5 rpm

Pembawa berputar dalam arah yang sama dengan gear suria.

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 17

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

10000 mV/0.1 mV = 100000

Bit

log₂(100000) = 16.61
216 = 65536 < 100000 ≤ 217 = 131072
N = 17

Jawapan

N = 17
6.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.

Selesaikan untuk N

N ≥ (75 − 1.76)/6.02 = 12.17

Bundarkan ke atas

N = 13
semakan: 6.02·13 + 1.76 = 80.02 dB ≥ 75 dB

Jawapan

N = 13
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Ig = 806.8 µA

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 Thévenin

Vth = 6·(600/850 − 1000/1600) = 0.4853 V

Rintangan Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 551.5 Ω

Arus galvanometer

Ig = 0.4853/(551.5 + 50) = 806.8 µA

Jawapan

Ig = 806.8 µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ε = 249.8 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.

Selesaikan persamaan jambatan suku

ε = 4·0.00032/(2.5·2.05) = 0.0002498

Dalam mikroterikan

ε = 249.8 µε

Jawapan

ε = 249.8 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 2.5

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

Kv = lim s·G(s) = 2

Ralat tanjakan

ess = 5/2 = 2.5

Jawapan

ess = 2.5
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: tp = 0.7854 s

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 + 6) + 25·1 = s² + 6s + 25

ωₙ dan ζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 6/(2·5) = 0.6

Masa puncak

ωd = 5·√(1 − 0.6²) = 4 rad/s
tp = π/4 = 0.7854 s

Jawapan

tp = 0.7854 s
11.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 8.602 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 = 74 → ωₙ = 8.602 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8.602) = 0.1744

Keputusan

ωₙ = 8.602 rad/s

Jawapan

ωn = 8.602 rad/s
12.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 2.527 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).

Nisbah redaman

ζ = −ln(0.12)/√(π² + ln²(0.12)) = 2.12/√(9.87 + 4.496) = 0.5594

Frekuensi tabii

ωd = π/tp = π/1.5 = 2.094 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 2.094/0.8289 = 2.527 rad/s

Jawapan

ωn = 2.527 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems