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)9.6 N·mn0​n = ?

Motor DC (k = 1.2 N·m/A, Ra = 1 Ω) berjalan daripada 220 V dan memacu tork beban 9.6 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 220 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1 ΩT = 9.6 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
+−240 VRa​ = 0.2 ΩM+−En = ?T = 80 N·m

Motor DC teruja berasingan (k = 2 V·s/rad pada medan penuh, Ra = 0.2 Ω, V = 240 V) memacu tork beban malar 80 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 90 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 80 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 12N2​ = 32

Sebuah motor 11 kW yang berputar pada 2900 rpm memacu pinion 12 gigi, yang bertaut dengan gear 32 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 97%. Cari tork keluaran T2 pada aci gear.

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 32η = 97%
T2 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 18B = 80C = 15D = ?

Dalam alur gear majmuk, gear A (18 gigi) pada aci masukan berputar pada 960 rpm dan menggerakkan gear B (80 gigi). Gear C (15 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan menggerakkan gear D pada aci keluaran. Keluaran mesti berputar pada 45 rpm. Berapakah bilangan gigi ND yang mesti dimiliki oleh gear D?

nin = 960 rpmA = 18B = 80C = 15nout = 45 rpm
ND =
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 16VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 16-bit untuk gelombang sinus skala penuh.

N = 16
SQNR = dB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​460800 Bd, 8N1

ADC 16-bit menyiarkan setiap sampel melalui UART pada 460800 baud, format 8N1 (bit mula, 8 bit data, 1 bit henti). Setiap sampel dihantar sebagai 2 bait penuh dan pautan sentiasa sibuk. Cari frekuensi isyarat tertinggi fmax yang dapat disampel tanpa alias, dalam Hz.

baud = 460800 BdN = 168N1
fmax = Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−2 VR1​ = 120 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 60 ΩR4​ = 80 ΩabGRg​ = 100 Ω

Galvanometer dengan rintangan 100 Ω disambungkan antara a dan b jambatan yang ditunjukkan (Vs = 2 V). Cari arus galvanometer Ig dari a ke b, dalam µA.

Vs = 2 VR1 = 120 ΩR2 = 60 ΩR3 = 60 ΩR4 = 80 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 5 V dan mempunyai dua tolok aktif pada lengan bersebelahan, satu dalam tegangan dan satu dalam mampatan (jambatan separuh). Faktor tolok ialah 2.05 dan terikan ialah 1500 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.

Vs = 5 VGF = 2.05ε = 1500 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberikan ralat keadaan mantap 10 % untuk input langkah.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 10 %
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+8 + Kd​s2s(s + 3)C(s)−

Pengawal PD C(s) = 8 + Kd·s memacu loji G(s) = 2/(s(s + 3)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan terbitan Kd yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.707.

G(s) = 2/(s(s + 3))Kp = 8ζ = 0.707
Kd = s
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 62/(s² + 4s + 62) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 62/(s² + 4s + 62)
tp = s
12.Sambutan langkahSukar
k = 100 N/mc = 22 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

Jisim m = 5 kg tergantung pada spring k = 100 N/m dengan peredam likat c = 22 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pada keadaan rehat dalam keseimbangan, daya malar F = 5 N dikenakan secara tiba-tiba. Cari masa tp apabila sesaran paling besar.

m = 5 kgk = 100 N/mc = 22 N·s/mF = 5 N
tp = s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: n = 1687 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 = 9.6/1.2 = 8 A

DEM balik dan laju

E = 220 − 8·1 = 212 V
ω = E/k = 176.7 rad/s → n = 1687 rpm

Jawapan

n = 1687 rpm
2.Motor DC

Jawapan: n = 1226 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 = 0.9·2 = 1.8 V·s/rad

Arus angker baharu

Ia = 80/1.8 = 44.44 A

Laju baharu

ω = (240 − 44.44·0.2)/1.8 = 128.4 rad/s → n = 1226 rpm

Jawapan

n = 1226 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: T2 = 93.69 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303.7 = 36.22 N·m

Tork keluaran

T2 = 36.22·32/12·0.97 = 93.69 N·m

Jawapan

T2 = 93.69 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: ND = 72

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 = 960·18/80 = 216 rpm

Gigi pada gear D

ND = C·nC/nout = 15·216/45 = 72

Jawapan

ND = 72
5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: SQNR = 98.08 dB

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.

SQNR unggul

SQNR = 6.02·16 + 1.76 = 98.08 dB

Jawapan

SQNR = 98.08 dB
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fmax = 11520 Hz

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 sampel pada talian

2·10 = 20 bit

Kadar pensampelan tertinggi

fs,max = 460800/20 = 23040 Hz

Had Nyquist

fmax = 23040/2 = 11520 Hz

Jawapan

fmax = 11520 Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Ig = −2732 µA

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 Thévenin

Vth = 2·(60/180 − 80/140) = −0.4762 V

Rintangan Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 74.29 Ω

Arus galvanometer

Ig = −0.4762/(74.29 + 100) = −2732 µA

Jawapan

Ig = −2732 µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 7.688 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 = 2.05·1500·10⁻⁶ = 0.003075

Output jambatan

Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0.003075/2 = 7.688 mV

Jawapan

Vo = 7.688 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 450

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 ralat yang diperlukan

1/(1 + Kp) = 0.1 → Kp = 9

Gandaan

K/50 = 9 → K = 450

Jawapan

K = 450

Semak juga kestabilan gelung tertutup: untuk gelung tertib kedua ini sebarang K > 0 adalah stabil.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kd = 1.328 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 + 3) + 2(8 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 16

Frekuensi tabii

ωₙ = √16 = 4 rad/s

Gandaan terbitan

3 + 2Kd = 2·0.707·4 = 5.656
Kd = 1.328 s

Jawapan

Kd = 1.328 s

Sebutan terbitan menambah redaman tanpa mengubah ωₙ.

11.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.4125 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 = 62 → ωₙ = 7.874 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7.874) = 0.254

Keputusan

ωd = 7.874·√(1 − 0.254²) = 7.616 rad/s → tp = π/ωd = 0.4125 s

Jawapan

tp = 0.4125 s
12.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.8069 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 = √(k/m) = √(100/5) = 4.472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 22/(2·√(100·5)) = 0.4919

Keputusan

ωd = 3.894 rad/s
tp = π/ωd = 0.8069 s

Jawapan

tp = 0.8069 s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems