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 220 V. Dengan mengabaikan semua kehilangan pada keadaan tanpa beban, cari laju tanpa bebannya n0 dalam rpm.

V = 220 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motor DCSukar
+−220 VRa​ = 1.2 ΩIa​: 25 → 12.5 AM+−En = ?T

Motor DC teruja berasingan pada 220 V (Ra = 1.2 Ω) berjalan pada 1800 rpm dengan arus angker 25 A. Beban berubah dan arus menjadi 12.5 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.

V = 220 VRa = 1.2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 25 AIa2 = 12.5 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 18, m = 2 mm

Sebuah motor 22 kW yang berjalan pada 2900 rpm menggerakkan pinion dengan 18 gigi dan modul 2 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.

P = 22 kWn = 2900 rpmN1 = 18m = 2 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 16B = 80C = 36D = ?

Dalam alur gear majmuk, gear A (16 gigi) pada aci masukan berputar pada 1440 rpm dan menggerakkan gear B (80 gigi). Gear C (36 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan menggerakkan gear D pada aci keluaran. Keluaran mesti berputar pada 230.4 rpm. Berapakah bilangan gigi ND yang mesti dimiliki oleh gear D?

nin = 1440 rpmA = 16B = 80C = 36nout = 230.4 rpm
ND =
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​19200 Bd, 8E1

UART menghantar bait pada 19200 baud dalam format 8E1: 8 bit data, satu bit pariti genap dan 1 bit henti, ditambah bit mula. Cari bilangan bait data terbanyak sesaat yang dapat dipindahkannya.

baud = 19200 Bd8E1
RB = B/s
6.Perolehan data & pensampelanSukar
T10 mV/°C×2.5∿01N = 10, 5 V? °C/LSB

Penderia suhu memberikan 10 mV/°C (0 V pada 0 °C). Isyaratnya dikuatkan 2.5 kali dan disalurkan kepada ADC 10-bit dengan julat 0 hingga 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Cari perubahan suhu ΔTLSB yang sepadan dengan satu LSB.

S = 10 mV/°CG = 2.5N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−9 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 200 Ω dan Vs = 9 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 1 Ω. Dengan menggunakan penghampiran perubahan kecil, cari output Vab dalam mV.

Vs = 9 VR = 200 ΩΔR = 1 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 10 V dan mempunyai satu tolok aktif (jambatan suku). Faktor tolok ialah 2.05 dan terikan ialah 800 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.

Vs = 10 VGF = 2.05ε = 800 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 551s + 1C(s)−

Proses G(s) = 5/(1s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 5 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.

G(s) = 5/(1s + 1)K = 5
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+8 + Kd​s10s(s + 1)C(s)−

Pengawal PD C(s) = 8 + Kd·s memacu loji G(s) = 10/(s(s + 1)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan terbitan Kd yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.9.

G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0.9
Kd = s
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 98/(s² + 7s + 49) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 98/(s² + 7s + 49)
ts = s
12.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)1tp​ = 0.2 s2 %

Sambutan langkah sistem peringkat kedua tanpa sifar menunjukkan lajakan 2 %, dan puncak pertama berlaku pada t = 0.2 s. Cari frekuensi tabii ωn.

%OS = 2 %tp = 0.2 s
ωn = rad/s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n0 = 2626 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 = 220/0.8 = 275 rad/s
n0 = 60·275/(2π) = 2626 rpm

Jawapan

n0 = 2626 rpm
2.Motor DC

Jawapan: n2 = 1942 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 − 25·1.2 = 190 V
E2 = 220 − 12.5·1.2 = 205 V

Laju baharu

n2 = 1800·205/190 = 1942 rpm

Jawapan

n2 = 1942 rpm
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Ft = 4025 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 = 22000/303.7 = 72.44 N·m

Diameter pic

d = m·N = 2·18 = 36 mm

Daya tangen

Ft = 2T/d = 2·72.44/0.036 = 4025 N

Jawapan

Ft = 4025 N
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: ND = 45

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 = 1440·16/80 = 288 rpm

Gigi pada gear D

ND = C·nC/nout = 36·288/230.4 = 45

Jawapan

ND = 45
5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: RB = 1745 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 + 1 + 1 = 11

Kadar bait

19200/11 = 1745 B/s

Jawapan

RB = 1745 B/s
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: ΔTLSB = 0.1953 °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 = 5000/1024 = 4.883 mV

Kepekaan pada ADC

10·2.5 = 25 mV/°C

Resolusi suhu

ΔTLSB = 4.883/25 = 0.1953 °C

Jawapan

ΔTLSB = 0.1953 °C

ADC mencapai skala penuh pada 200 °C.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vab = 11.25 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.

Perubahan relatif

ΔR/R = 1/200 = 0.005

Output terlinear

Vab ≈ 9·0.005/4 = 11.25 mV

Jawapan

Vab = 11.25 mV

Nilai tepatnya ialah 11.22 mV; penghampiran itu baik selagi ΔR/R kecil.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 4.1 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 = 2.05·800·10⁻⁶ = 0.00164

Output jambatan

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0.00164/4 = 4.1 mV

Jawapan

Vo = 4.1 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 3.846 %

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 kedudukan

Kp = 5·5 = 25

Ralat langkah

ess = 100/(1 + 25) = 3.846 %

Jawapan

ess = 3.846 %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kd = 1.51 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 + 1) + 10(8 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 80

Frekuensi tabii

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s

Gandaan terbitan

1 + 10Kd = 2·0.9·8.944 = 16.1
Kd = 1.51 s

Jawapan

Kd = 1.51 s

Sebutan terbitan menambah redaman tanpa mengubah ωₙ.

11.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 1.143 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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7) = 0.5

Keputusan

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

Jawapan

ts = 1.143 s
12.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 25.09 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(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 3.912/√(9.87 + 15.3) = 0.7797

Frekuensi tabii

ωd = π/tp = π/0.2 = 15.71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15.71/0.6261 = 25.09 rad/s

Jawapan

ωn = 25.09 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems