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
+−220 VRa​ = 1.5 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

Motor DC menarik 15 A daripada bekalan 220 V. Rintangan angkernya ialah 1.5 Ω dan kehilangan putarannya (geseran, rintangan angin dan besi) ialah 119 W. Cari kecekapannya η.

V = 220 VIa = 15 ARa = 1.5 ΩProt = 119 W
η = %
2.Motor DCSukar
+−110 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 50 → 25 AM+−En = ?T

Motor DC teruja berasingan pada 110 V (Ra = 0.25 Ω) berjalan pada 1800 rpm dengan arus angker 50 A. Beban berubah dan arus menjadi 25 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.

V = 110 VRa = 0.25 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 50 AIa2 = 25 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​N2​ = ?

Dua aci selari berjarak 180 mm. Kedua-duanya mesti disambung dengan sepasang gear taji bermodul 4 mm dan pengurangan laju 2 : 1. Berapakah bilangan gigi N2 yang mesti dimiliki oleh gear?

a = 180 mmm = 4 mmi = 2
N2 =
4.Gear & rangkaian gearSukar
Ns​ = 15anulus tetapNp​ = 20nc​ = ?

Dalam set gear planet, gear suria mempunyai 15 gigi dan setiap gear planet mempunyai 20 gigi. Gear anulus ditahan tetap dan gear suria digerakkan pada 3000 rpm. Cari laju nc pembawa planet.

Ns = 15Np = 20ns = 3000 rpm
nc = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 8VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 8-bit untuk gelombang sinus skala penuh.

N = 8
SQNR = dB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
124⋮4 ch∿01tc​ = 8 µstset​ = 2 µsfs​ = ?

Pemultipleks 4-saluran membekalkan satu ADC. Setiap penukaran mengambil 8 µs, dan selepas setiap pensuisan saluran input memerlukan 2 µs untuk menetap. Saluran diimbas secara bergilir tanpa henti. Cari kadar pensampelan fs bagi setiap saluran, dalam kHz.

n = 4tc = 8 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−2 VR1​ = 800 ΩR2​ = 120 ΩR3​ = 10 ΩR4​ = 500 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 = 800 ΩR2 = 120 ΩR3 = 10 ΩR4 = 500 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1.193 mV

Tolok terikan (GF = 2.12) pada anggota dengan E = 200 GPa membentuk jambatan suku yang diujakan dengan 3 V. Output menunjukkan 1.193 mV. Cari tegasan paksi σ dalam MPa.

Vs = 3 VGF = 2.12Vo = 1.193 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

Gelung suap balik unit dengan G(s) = K/(s(s + 5)) mesti mengikut tanjakan r(t) = 5t dengan ralat keadaan mantap 0.02. Cari gandaan K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0.02
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 1C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 1/(s + 1) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 8 rad/s dan ζ = 0.5. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.5
Kp =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)0.5

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 38/(s² + 4s + 76) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 38/(s² + 4s + 76)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
+−5 VR = 126 ΩL = 100 mHC = 1 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 126 Ω, L = 100 mH dan C = 1 µF disambungkan kepada langkah 5 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari voltan pemuat puncak vC,max.

R = 126 ΩL = 100 mHC = 1 µFV = 5 V
vC,max = V

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: η = 86.17 %

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.

Kuasa

Pin = 220·15 = 3300 W
Pdev = 197.5·15 = 2963 W
Pout = 2963 − 119 = 2844 W

Kecekapan

η = 2844/3300·100 = 86.17 %

Jawapan

η = 86.17 %
2.Motor DC

Jawapan: n2 = 1915 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 = 110 − 50·0.25 = 97.5 V
E2 = 110 − 25·0.25 = 103.8 V

Laju baharu

n2 = 1800·103.8/97.5 = 1915 rpm

Jawapan

n2 = 1915 rpm
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: N2 = 60

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 = 2·180/4 = 90

Bahagikan mengikut nisbah

N1 = 90/(1 + 2) = 30
N2 = 2·30 = 60

Jawapan

N2 = 60
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nc = 642.9 rpm

Set gear planet: laju gear suria, anulus dan pembawa dihubungkan oleh persamaan Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: dilihat dari pembawa, set itu ialah susunan gear biasa dengan planet sebagai gear perantara. Menahan satu ahli tetap menjadikan set itu pengurang nisbah tunggal.

Gigi gear anulus

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·20 = 55

Persamaan Willis dengan anulus tetap

Tetapkan nr = 0 dan selesaikan untuk laju pembawa.

(3000 − nc)/(0 − nc) = −55/15
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 3000·15/70 = 642.9 rpm

Jawapan

nc = 642.9 rpm

Pembawa berputar dalam arah yang sama dengan gear suria.

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: SQNR = 49.92 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 = 6.02·8 + 1.76 = 49.92 dB

Jawapan

SQNR = 49.92 dB
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fs = 25 kHz

Kadar data: setiap saluran menyampaikan fs sampel sesaat bagi N bit, jadi kadar mentah ialah saluran × fs × N bit/s. Dalam ingatan, satu sampel mengambil bait penuh (sampel 12-bit disimpan dalam 2 bait), jadi ingatan untuk rakaman ialah saluran × fs × bait setiap sampel × masa. ADC termultipleks menukar saluran satu demi satu: setiap penukaran (dengan pemenapan) mengambil t, jadi satu pusingan n saluran mengambil n·t dan setiap saluran disampel pada 1/(n·t).

Masa setiap saluran

8 + 2 = 10 µs

Masa setiap imbasan

4·10 = 40 µs

Kadar pensampelan setiap saluran

fs = 1/40 µs = 25 kHz

Jawapan

fs = 25 kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Ig = −7938 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·(120/920 − 500/510) = −1.7 V

Rintangan Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 114.2 Ω

Arus galvanometer

Ig = −1.7/(114.2 + 100) = −7938 µA

Jawapan

Ig = −7938 µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: σ = 150.1 MPa

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.

Terikan

ε = 4·0.001193/(3·2.12) = 0.0007503

Tegasan

σ = 200·10³ MPa·0.0007503 = 150.1 MPa

Jawapan

σ = 150.1 MPa
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 1250

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 halaju yang diperlukan

Kv = A/ess = 5/0.02 = 250

Gandaan

K = 5·Kv = 1250

Jawapan

K = 1250

Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.07071. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 7

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 + 1).

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.5·8s + 8² = s² + 8s + 64

Padankan pekali

1 + 1Kp = 8 → Kp = 7

Jawapan

Kp = 7

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

11.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 8.718 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 = 76 → ωₙ = 8.718 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.718) = 0.2294

Keputusan

ωₙ = 8.718 rad/s

Jawapan

ωn = 8.718 rad/s
12.Sambutan langkah

Jawapan: vC,max = 7.64 V

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/√(0.1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (126/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.1) = 0.1992

Keputusan

%OS = 52.8 %
vC,max = 5·(1 + 0.528) = 7.64 V

Jawapan

vC,max = 7.64 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems