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
+−VRa​M+−En = 2000 rpmT = ?

Motor DC menyalurkan 1 kW kuasa mekanikal pada 2000 rpm. Cari tork aci T.

P = 1 kWn = 2000 rpm
T = N·m
2.Motor DCSukar
+−120 VRa​ = 0.25 ΩM+−En = ?T = 12.5 N·m

Motor DC teruja berasingan (k = 0.5 V·s/rad pada medan penuh, Ra = 0.25 Ω, V = 120 V) memacu tork beban malar 12.5 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 80 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 120 Vk = 0.5 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 12.5 N·mΦ = 80 %
n = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 18, m = 5 mm

Sebuah motor 2.2 kW yang berjalan pada 960 rpm menggerakkan pinion dengan 18 gigi dan modul 5 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.

P = 2.2 kWn = 960 rpmN1 = 18m = 5 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 40B = 50C = 48D = 50

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (40 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 3000 rpm memacu gear B (50 gigi). Gear C (48 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (50 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 3000 rpmA = 40B = 50C = 48D = 50
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​11·Tb​4800 Bd, 8N2

UART menghantar bait pada 4800 baud dalam format 8N2: 8 bit data, tanpa pariti dan 2 bit henti, ditambah bit mula. Cari bilangan bait data terbanyak sesaat yang dapat dipindahkannya.

baud = 4800 Bd8N2
RB = B/s
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 19200 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).

fclk = 2 MHzsasaran = 19200 Bd
e = %
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−3 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−7.46 mV

Jambatan dengan empat lengan 100 Ω dibekalkan dengan 3 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 7.46 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.

Vs = 3 VR = 100 ΩVab = 7.46 mV
ΔR = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Jambatan suku (satu tolok aktif, GF = 2.05) diujakan dengan 5 V. Terikan terbesar yang hendak diukur ialah 800 µε, dan ia mesti memberikan 5 V pada input penukar analog-ke-digital. Cari gandaan penguat G.

Vs = 5 VGF = 2.05εmax = 800 µεVFS = 5 V
G =
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5·t²/2+20(s + 2)s²(s + 5)C(s)−

Input parabola r(t) = 5·t²/2 dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 5)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 2C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 2/(s + 2) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 2 rad/s dan ζ = 1. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 2/(s + 2)ωₙ = 2 rad/sζ = 1
Kp =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 78/(s² + 6s + 78) dan menerima input langkah unit. Cari nisbah redaman ζ.

G(s) = 78/(s² + 6s + 78)
ζ =
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 16)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 15 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 15 %
K =

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: T = 4.775 N·m

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 dalam rad/s

ω = 2π·2000/60 = 209.4 rad/s

Tork

T = P/ω = 1000/209.4 = 4.775 N·m

Jawapan

T = 4.775 N·m
2.Motor DC

Jawapan: n = 2678 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.

Pemalar motor yang dilemahkan

k₂ = 0.8·0.5 = 0.4 V·s/rad

Arus angker baharu

Ia = 12.5/0.4 = 31.25 A

Laju baharu

ω = (120 − 31.25·0.25)/0.4 = 280.5 rad/s → n = 2678 rpm

Jawapan

n = 2678 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Ft = 486.3 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·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 2200/100.5 = 21.88 N·m

Diameter pic

d = m·N = 5·18 = 90 mm

Daya tangen

Ft = 2T/d = 2·21.88/0.09 = 486.3 N

Jawapan

Ft = 486.3 N
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 2304 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 = 3000·40/50 = 2400 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 2400·48/50 = 2304 rpm

Jawapan

nout = 2304 rpm

nisbah keseluruhan = 1.302 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: RB = 436.4 B/s

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.

Bit setiap bingkai

1 + 8 + 0 + 2 = 11

Kadar bait

4800/11 = 436.4 B/s

Jawapan

RB = 436.4 B/s
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: e = −6.994 %

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/(16·19200) = 6.51 → 7

Kadar baud sebenar

2·10⁶/(16·7) = 17857 Bd

Ralat

(17857 − 19200)/19200·100 = −6.994 %

Jawapan

e = −6.994 %

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

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ΔR = 0.9996 Ω

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 = 1.5 + 0.00746 = 1.507 V

Selesaikan pembahagi

R₂ = 100·1.507/(3 − 1.507) = 101 Ω
ΔR = 101 − 100 = 0.9996 Ω

Jawapan

ΔR = 0.9996 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: G = 2439

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.

Output jambatan pada skala penuh

Vo = 2.05 mV

Gandaan

G = 5/0.00205 = 2439

Jawapan

G = 2439
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 0.625

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 = 20·2/5 = 8

Ralat parabola

ess = 5/8 = 0.625

Jawapan

ess = 0.625
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 1

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

1 + C(s)G(s) = 0, didarab dengan s(s + 2).

s² + (2 + 2Kp)s + 2Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·1·2s + 2² = s² + 4s + 4

Padankan pekali

2 + 2Kp = 4 → Kp = 1

Jawapan

Kp = 1

Sebutan kamiran menjadikan gelung jenis-1, jadi langkah diikuti tanpa ralat keadaan mantap.

11.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.3397

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 = 78 → ωₙ = 8.832 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8.832) = 0.3397

Keputusan

ζ = 0.3397

Jawapan

ζ = 0.3397
12.Sambutan langkah

Jawapan: K = 239.5

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) = K/(s² + 16s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

Gandaan

ωₙ = 16/(2ζ) = 15.48 rad/s
K = ωₙ² = 239.5

Jawapan

K = 239.5

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems