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 = 1450 rpmT = ?

Motor DC menyalurkan 15 kW kuasa mekanikal pada 1450 rpm. Cari tork aci T.

P = 15 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.Motor DCSukar
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 1.5 ΩM+−En = 1500 rpmT = 2 N·m

Motor DC (k = 0.4 V·s/rad, Ra = 1.5 Ω) pada bekalan tetap 110 V memacu beban 2 N·m. Cari rintangan bersiri Rs yang memperlahankannya kepada 1500 rpm.

V = 110 Vk = 0.4 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 2 N·mn = 1500 rpm
Rs = Ω
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = ?N2​

Dua aci selari berjarak 225 mm. Kedua-duanya mesti disambung dengan sepasang gear taji bermodul 3 mm dan pengurangan laju 5 : 1. Berapakah bilangan gigi N1 yang mesti dimiliki oleh pinion?

a = 225 mmm = 3 mmi = 5
N1 =
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 15B = 60C = 12D = 24

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (15 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 1500 rpm memacu gear B (60 gigi). Gear C (12 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (24 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 1500 rpmA = 15B = 60C = 12D = 24
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​12·Tb​57600 Bd, 8E2

UART menghantar bait pada 57600 baud dalam format 8E2: 8 bit data, satu bit pariti genap dan 2 bit henti, ditambah bit mula. Cari bilangan bait data terbanyak sesaat yang dapat dipindahkannya.

baud = 57600 Bd8E2
RB = B/s
6.Perolehan data & pensampelanSukar
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​8 MHz / (16·D)

Mikropengawal dengan jam 8 MHz menetapkan kadar baud UART-nya sebagai fclk/(16·D), dengan D nombor bulat yang dibundarkan kepada nilai terdekat. Sasarannya ialah 115200 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).

fclk = 8 MHzsasaran = 115200 Bd
e = %
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−9 VR1​ = 120 ΩR2​ = 1000 ΩR3​ = 100 ΩR4​ = 40 Ωab+−Rth​ = ?

Cari rintangan Thévenin Rth bagi jambatan yang ditunjukkan, dilihat dari terminal output a dan b.

Vs = 9 VR1 = 120 ΩR2 = 1000 ΩR3 = 100 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

Tolok terikan 350 Ω dengan faktor tolok 2 dilekatkan pada bar keluli. Di bawah beban rintangannya naik sebanyak 0.56 Ω. Cari terikan ε dalam mikroterikan (µε).

R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0.56 Ω
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 240.5s + 1C(s)−

Proses G(s) = 4/(0.5s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 2 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.

G(s) = 4/(0.5s + 1)K = 2
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 4C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 5/(s + 4) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 6 rad/s dan ζ = 0.6. Cari gandaan kamiran Ki.

G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.6
Ki =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 97/(s² + 9s + 97) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 97/(s² + 9s + 97)
tp = s
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 2)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 25 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 25 %
K =

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: T = 98.79 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·1450/60 = 151.8 rad/s

Tork

T = P/ω = 15000/151.8 = 98.79 N·m

Jawapan

T = 98.79 N·m
2.Motor DC

Jawapan: Rs = 7.934 Ω

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 dan DEM balik

Ia = 2/0.4 = 5 A
E = 0.4·157.1 = 62.83 V

Rintangan bersiri

Ra + Rs = (110 − 62.83)/5 = 9.434 Ω
Rs = 7.934 Ω

Jawapan

Rs = 7.934 Ω

Perintang itu membazirkan 198.3 W; pencincang mengawal laju dengan kehilangan yang jauh lebih sedikit.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: N1 = 25

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 = 2·225/3 = 150

Bahagikan mengikut nisbah

N1 = 150/(1 + 5) = 25

Jawapan

N1 = 25
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 187.5 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 = 1500·15/60 = 375 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 375·12/24 = 187.5 rpm

Jawapan

nout = 187.5 rpm

nisbah keseluruhan = 8 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: RB = 4800 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 + 2 = 12

Kadar bait

57600/12 = 4800 B/s

Jawapan

RB = 4800 B/s
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: e = 8.507 %

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 = 8·10⁶/(16·115200) = 4.34 → 4

Kadar baud sebenar

8·10⁶/(16·4) = 125000 Bd

Ralat

(125000 − 115200)/115200·100 = 8.507 %

Jawapan

e = 8.507 %

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

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Rth = 135.7 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.

Bekalan dilitar pintaskan

R₁∥R₂ = 120·1000/1120 = 107.1 Ω
R₃∥R₄ = 100·40/140 = 28.57 Ω

Rintangan Thévenin

Rth = 135.7 Ω

Jawapan

Rth = 135.7 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ε = 800 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 = 0.56/350 = 0.0016

Terikan

ε = 0.0016/2 = 0.0008 = 800 µε

Jawapan

ε = 800 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 11.11 %

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 = 2·4 = 8

Ralat langkah

ess = 100/(1 + 8) = 11.11 %

Jawapan

ess = 11.11 %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Ki = 7.2

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).

Polinomial ciri

1 + C(s)G(s) = 0, didarab dengan s(s + 4).

s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.6·6s + 6² = s² + 7.2s + 36

Padankan pekali

5Ki = 36 → Ki = 7.2

Jawapan

Ki = 7.2

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

11.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.3586 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 = 97 → ωₙ = 9.849 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9.849) = 0.4569

Keputusan

ωd = 9.849·√(1 − 0.4569²) = 8.761 rad/s → tp = π/ωd = 0.3586 s

Jawapan

tp = 0.3586 s
12.Sambutan langkah

Jawapan: K = 6.136

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 + 2s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

Gandaan

ωₙ = 2/(2ζ) = 2.477 rad/s
K = ωₙ² = 6.136

Jawapan

K = 6.136

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems