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)40 N·mn0​n = ?

Motor DC (k = 2 N·m/A, Ra = 0.5 Ω) berjalan daripada 220 V dan memacu tork beban 40 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 220 Vk = 2 N·m/ARa = 0.5 ΩT = 40 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
+−120 VRa​ = 1.5 ΩM+−En = ?T = 5 N·m

Motor DC teruja berasingan (k = 1 V·s/rad pada medan penuh, Ra = 1.5 Ω, V = 120 V) memacu tork beban malar 5 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 70 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 5 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 36N2​ = 50

Sebuah motor 2.2 kW yang berputar pada 1440 rpm memacu pinion 36 gigi, yang bertaut dengan gear 50 gigi. Abaikan kehilangan. Cari tork T1 pada aci motor.

P = 2.2 kWn1 = 1440 rpmN1 = 36N2 = 50η = 100%
T1 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 600 mmθ = ?

Tali sawat terbuka menyambungkan takal 100 mm dan takal 315 mm yang pusatnya berjarak 600 mm. Cari sudut lilitan θ pada takal yang lebih kecil, dalam darjah.

d1 = 100 mmd2 = 315 mmC = 600 mm
θ = °
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?1 V2ᴺ − 10≤ 5 mV

ADC dengan julat input 0 hingga 1 V mesti meleraikan langkah 5 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.

VFSR = 1 Vresolusi = 5 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
f0fs​/2fs​1.2 kHz3f₁?

Gelombang segi empat 1.2 kHz disampel pada 5 kHz tanpa penapis anti-alias. Gelombang segi empat mengandungi harmonik ganjil 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Pada frekuensi fa yang manakah harmonik 3f₁ muncul dalam data tersampel? Berikan dalam Hz.

f₁ = 1.2 kHzfs = 5 kHzharmonik: 3f₁
fa = Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−12 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−285.7 mV

Jambatan dengan empat lengan 100 Ω dibekalkan dengan 12 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 285.7 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.

Vs = 12 VR = 100 ΩVab = 285.7 mV
ΔR = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Jambatan suku (satu tolok aktif, GF = 2.12) diujakan dengan 10 V. Terikan terbesar yang hendak diukur ialah 600 µε, dan ia mesti memberikan 5 V pada input penukar analog-ke-digital. Cari gandaan penguat G.

Vs = 10 VGF = 2.12εmax = 600 µεVFS = 5 V
G =
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5·t²/2+2(s + 1)s²(s + 1)C(s)−

Input parabola r(t) = 5·t²/2 dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 1)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 1))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 5C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 10/(s + 5) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 10 rad/s dan ζ = 0.8. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 10/(s + 5)ωₙ = 10 rad/sζ = 0.8
Kp =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)3

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 60/(s² + 5s + 20) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 60/(s² + 5s + 20)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
+−12 VR = 120 ΩL = 10 mHC = 1 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 120 Ω, L = 10 mH dan C = 1 µF disambungkan kepada langkah 12 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari frekuensi tabii tak teredam ωn dalam rad/s.

R = 120 ΩL = 10 mHC = 1 µFV = 12 V
ωn = rad/s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n = 1003 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.

Arus angker

Ia = T/k = 40/2 = 20 A

DEM balik dan laju

E = 220 − 20·0.5 = 210 V
ω = E/k = 105 rad/s → n = 1003 rpm

Jawapan

n = 1003 rpm
2.Motor DC

Jawapan: n = 1491 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 = 0.7·1 = 0.7 V·s/rad

Arus angker baharu

Ia = 5/0.7 = 7.143 A

Laju baharu

ω = (120 − 7.143·1.5)/0.7 = 156.1 rad/s → n = 1491 rpm

Jawapan

n = 1491 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: T1 = 14.59 N·m

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.

Tork motor

ω₁ = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/150.8 = 14.59 N·m

Jawapan

T1 = 14.59 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: θ = 159.4 °

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Sudut tali sawat

asin(0.1792) = 10.32°

Sudut lilitan

θ = 180 − 2·10.32 = 159.4°

Jawapan

θ = 159.4°
5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 8

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/5 mV = 200

Bit

log₂(200) = 7.644
27 = 128 < 200 ≤ 28 = 256
N = 8

Jawapan

N = 8
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fa = 1400 Hz

Pensampelan: ADC mengukur isyarat fs kali sesaat. Menurut teorem Nyquist–Shannon, frekuensi f ditangkap dengan betul hanya selagi f < fs/2, frekuensi Nyquist (lipatan), jadi kadar pensampelan mesti melebihi dua kali ganda frekuensi isyarat tertinggi. Frekuensi yang lebih tinggi tidak hilang: ia muncul sebagai alias pada fa = |f − k·fs|, dengan nombor bulat k yang membawa hasilnya antara 0 dan fs/2. Sampel tidak dapat membezakan kedua-duanya, jadi penapis anti-alias analog mesti membuang semua yang di atas fs/2 sebelum ADC.

Frekuensi harmonik

3f₁ = 3·1.2 kHz = 3.6 kHz

Gandaan kadar pensampelan yang terdekat

m = round(0.72) = 1

Frekuensi alias

fa = |3600 − 1·5000| = 1400 Hz

Jawapan

fa = 1400 Hz

Alias mendarat di dalam jalur isyarat, di mana tiada penapis digital boleh membuangnya. Hanya penapis analog sebelum ADC yang membantu.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ΔR = 10 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 = 6 + 0.2857 = 6.286 V

Selesaikan pembahagi

R₂ = 100·6.286/(12 − 6.286) = 110 Ω
ΔR = 110 − 100 = 10 Ω

Jawapan

ΔR = 10 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: G = 1572

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 = 3.18 mV

Gandaan

G = 5/0.00318 = 1572

Jawapan

G = 1572
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 pecutan

Ka = 2·1/1 = 2

Ralat parabola

ess = 5/2 = 2.5

Jawapan

ess = 2.5
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 1.1

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 + 5).

s² + (5 + 10Kp)s + 10Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.8·10s + 10² = s² + 16s + 100

Padankan pekali

5 + 10Kp = 16 → Kp = 1.1

Jawapan

Kp = 1.1

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

11.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 4.472 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 = 20 → ωₙ = 4.472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.472) = 0.559

Keputusan

ωₙ = 4.472 rad/s

Jawapan

ωn = 4.472 rad/s
12.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 10000 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).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (120/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.01) = 0.6

Keputusan

ωₙ = 10000 rad/s

Jawapan

ωn = 10000 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems