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​nFL​

Motor DC (k = 0.6 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω) berjalan daripada 240 V. Pada beban penuh ia menarik 8 A. Dengan mengabaikan arus tanpa beban, cari regulasi lajunya SR = (n₀ − nFL)/nFL dalam peratus.

V = 240 Vk = 0.6 V·s/radRa = 1.2 ΩIFL = 8 A
SR = %
2.Motor DCSukar
T (N·m)n (rpm)0.2 N·m900 rpm

Motor DC dengan k = 0.1 V·s/rad dan Ra = 0.8 Ω mesti memacu beban 0.2 N·m pada 900 rpm. Cari voltan angker V yang diperlukannya.

k = 0.1 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 0.2 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​N2​ = ?

Dua aci selari berjarak 180 mm. Kedua-duanya mesti disambung dengan sepasang gear taji bermodul 5 mm dan pengurangan laju 3 : 1. Berapakah bilangan gigi N2 yang mesti dimiliki oleh gear?

a = 180 mmm = 5 mmi = 3
N2 =
4.Gear & rangkaian gearSukar
Ns​ = 16anulus tetapNp​ = 15nc​ = ?

Dalam set gear planet, gear suria mempunyai 16 gigi dan setiap gear planet mempunyai 15 gigi. Gear anulus ditahan tetap dan gear suria digerakkan pada 600 rpm. Cari laju nc pembawa planet.

Ns = 16Np = 15ns = 600 rpm
nc = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?1 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

ADC dengan julat input 0 hingga 1 V mesti meleraikan langkah 10 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.

VFSR = 1 Vresolusi = 10 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
T20 mV/°C×2∿01N = 10, 3.3 V? °C/LSB

Penderia suhu memberikan 20 mV/°C (0 V pada 0 °C). Isyaratnya dikuatkan 2 kali dan disalurkan kepada ADC 10-bit dengan julat 0 hingga 3.3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Cari perubahan suhu ΔTLSB yang sepadan dengan satu LSB.

S = 20 mV/°CG = 2N = 10VFSR = 3.3 V
ΔTLSB = °C
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−5 V400 Ω400 Ω + ΔR400 Ω400 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 400 Ω dan Vs = 5 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 32 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 5 VR = 400 ΩΔR = 32 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

Tolok terikan 120 Ω dengan faktor tolok 2.05 dilekatkan pada bar keluli. Di bawah beban rintangannya naik sebanyak 0.123 Ω. Cari terikan ε dalam mikroterikan (µε).

R = 120 ΩGF = 2.05ΔR = 0.123 Ω
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 0.5·t²/2+5(s + 3)s²(s + 2)C(s)−

Input parabola r(t) = 0.5·t²/2 dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 2)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 2))r(t) = 0.5·t²/2
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+K = 401s(s + 8)C(s)−

Pengawal berkadar K = 40 memacu loji G(s) = 1/(s(s + 8)) dalam gelung suap balik unit. Cari peratusan lajakan %OS bagi sambutan langkah.

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 40
%OS = %
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1ts​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 39/(s² + 8s + 39) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 39/(s² + 8s + 39)
ts = s
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+295s(s + 4)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 295/(s(s + 4)). Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah gelung tertutup, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 295/(s(s + 4))
ts = s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: SR = 4.167 %

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 = 60·240/(2π·0.6) = 3820 rpm
nFL = 60·(240 − 8·1.2)/(2π·0.6) = 3667 rpm

Regulasi laju

SR = (3820 − 3667)/3667·100 = 4.167 %

Jawapan

SR = 4.167 %
2.Motor DC

Jawapan: V = 11.02 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 = 0.1·94.25 = 9.425 V

Arus angker

Ia = 0.2/0.1 = 2 A

Voltan angker

V = 9.425 + 2·0.8 = 11.02 V

Jawapan

V = 11.02 V
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: N2 = 54

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.

Jumlah bilangan gigi

N1 + N2 = 2a/m = 2·180/5 = 72

Bahagikan mengikut nisbah

N1 = 72/(1 + 3) = 18
N2 = 3·18 = 54

Jawapan

N2 = 54
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nc = 154.8 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 = 16 + 2·15 = 46

Persamaan Willis dengan anulus tetap

Tetapkan nr = 0 dan selesaikan untuk laju pembawa.

(600 − nc)/(0 − nc) = −46/16
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·16/62 = 154.8 rpm

Jawapan

nc = 154.8 rpm

Pembawa berputar dalam arah yang sama dengan gear suria.

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 7

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/10 mV = 100

Bit

log₂(100) = 6.644
26 = 64 < 100 ≤ 27 = 128
N = 7

Jawapan

N = 7
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: ΔTLSB = 0.08057 °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 = 3300/1024 = 3.223 mV

Kepekaan pada ADC

20·2 = 40 mV/°C

Resolusi suhu

ΔTLSB = 3.223/40 = 0.08057 °C

Jawapan

ΔTLSB = 0.08057 °C

ADC mencapai skala penuh pada 82.5 °C.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 96.15 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 = 5·432/832 = 2.596 V
Vb = 2.5 V

Pengeluaran

Vab = 96.15 mV

Jawapan

Vab = 96.15 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 100 mV adalah 4 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ε = 500 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 = 0.123/120 = 0.001025

Terikan

ε = 0.001025/2.05 = 0.0005 = 500 µε

Jawapan

ε = 500 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 0.06667

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 pecutan

Ka = 5·3/2 = 7.5

Ralat parabola

ess = 0.5/7.5 = 0.06667

Jawapan

ess = 0.06667
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: %OS = 7.691 %

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 + 8) + 40·1 = s² + 8s + 40

ωₙ dan ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325

Terlajak

%OS = 100·e−0.6325π/√(1 − 0.6325²) = 7.691 %

Jawapan

%OS = 7.691 %
11.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 1 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 = 39 → ωₙ = 6.245 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6.245) = 0.6405

Keputusan

ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s

Jawapan

ts = 1 s
12.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 2 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) = 295/(s² + 4s + 295): ωₙ = 17.18 rad/s, ζ = 0.1164

Masa pengenapan

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Jawapan

ts = 2 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