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 = 2900 rpmT = ?

Motor DC menyalurkan 1 kW kuasa mekanikal pada 2900 rpm. Cari tork aci T.

P = 1 kWn = 2900 rpm
T = N·m
2.Motor DCSukar
+−240 VRa​ = 1.5 ΩM+−En = ?T = 12 N·m

Motor DC teruja berasingan (k = 1.2 V·s/rad pada medan penuh, Ra = 1.5 Ω, V = 240 V) memacu tork beban malar 12 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 90 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 240 Vk = 1.2 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 12 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 16N2​ = 20

Sebuah motor 15 kW yang berputar pada 1450 rpm memacu pinion 16 gigi, yang bertaut dengan gear 20 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 95%. Cari tork keluaran T2 pada aci gear.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 16N2 = 20η = 95%
T2 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
Ns​ = 18anulus tetapNp​ = 18nc​ = ?

Dalam set gear planet, gear suria mempunyai 18 gigi dan setiap gear planet mempunyai 18 gigi. Gear anulus ditahan tetap dan gear suria digerakkan pada 900 rpm. Cari laju nc pembawa planet.

Ns = 18Np = 18ns = 900 rpm
nc = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 20-bit untuk gelombang sinus skala penuh.

N = 20
SQNR = dB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
1216⋮16 ch∿01tc​ = 20 µstset​ = 0.5 µsfs​ = ?

Pemultipleks 16-saluran membekalkan satu ADC. Setiap penukaran mengambil 20 µs, dan selepas setiap pensuisan saluran input memerlukan 0.5 µs untuk menetap. Saluran diimbas secara bergilir tanpa henti. Cari kadar pensampelan fs bagi setiap saluran, dalam kHz.

n = 16tc = 20 µstset = 0.5 µs
fs = kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−115.4 mV

Jambatan dengan empat lengan 220 Ω dibekalkan dengan 6 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 115.4 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.

Vs = 6 VR = 220 ΩVab = 115.4 mV
ΔR = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 5 V dan mempunyai satu tolok aktif (jambatan suku). Faktor tolok ialah 2.12 dan terikan ialah 1200 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.

Vs = 5 VGF = 2.12ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 2041s + 1C(s)−

Proses G(s) = 4/(1s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 20 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.

G(s) = 4/(1s + 1)K = 20
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 1/(s + 2) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 5 rad/s dan ζ = 0.7. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 0.7
Kp =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)3

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 144/(s² + 6s + 48) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.

G(s) = 144/(s² + 6s + 48)
σ =
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+245s(s + 4)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 245/(s(s + 4)). Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah gelung tertutup, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 245/(s(s + 4))
ts = s

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: T = 3.293 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·2900/60 = 303.7 rad/s

Tork

T = P/ω = 1000/303.7 = 3.293 N·m

Jawapan

T = 3.293 N·m
2.Motor DC

Jawapan: n = 1975 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 = 0.9·1.2 = 1.08 V·s/rad

Arus angker baharu

Ia = 12/1.08 = 11.11 A

Laju baharu

ω = (240 − 11.11·1.5)/1.08 = 206.8 rad/s → n = 1975 rpm

Jawapan

n = 1975 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: T2 = 117.3 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·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151.8 = 98.79 N·m

Tork keluaran

T2 = 98.79·20/16·0.95 = 117.3 N·m

Jawapan

T2 = 117.3 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nc = 225 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 = 18 + 2·18 = 54

Persamaan Willis dengan anulus tetap

Tetapkan nr = 0 dan selesaikan untuk laju pembawa.

(900 − nc)/(0 − nc) = −54/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/72 = 225 rpm

Jawapan

nc = 225 rpm

Pembawa berputar dalam arah yang sama dengan gear suria.

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: SQNR = 122.2 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 = 6.02·20 + 1.76 = 122.2 dB

Jawapan

SQNR = 122.2 dB
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fs = 3.049 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

20 + 0.5 = 20.5 µs

Masa setiap imbasan

16·20.5 = 328 µs

Kadar pensampelan setiap saluran

fs = 1/328 µs = 3.049 kHz

Jawapan

fs = 3.049 kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ΔR = 17.6 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 = 3 + 0.1154 = 3.115 V

Selesaikan pembahagi

R₂ = 220·3.115/(6 − 3.115) = 237.6 Ω
ΔR = 237.6 − 220 = 17.6 Ω

Jawapan

ΔR = 17.6 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 3.18 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 = 2.12·1200·10⁻⁶ = 0.002544

Output jambatan

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0.002544/4 = 3.18 mV

Jawapan

Vo = 3.18 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 1.235 %

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 = 20·4 = 80

Ralat langkah

ess = 100/(1 + 80) = 1.235 %

Jawapan

ess = 1.235 %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 5

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 + 2).

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.7·5s + 5² = s² + 7s + 25

Padankan pekali

2 + 1Kp = 7 → Kp = 5

Jawapan

Kp = 5

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

11.Sambutan langkah

Jawapan: σ = −3

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 = 48 → ωₙ = 6.928 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6.928) = 0.433

Keputusan

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Jawapan

σ = −3
12.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 2 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).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = 245/(s² + 4s + 245): ωₙ = 15.65 rad/s, ζ = 0.1278

Masa pengenapan

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Jawapan

ts = 2 s

Bagi gelung ini ζωₙ = a/2 walau apa pun K: menaikkan K menambah lajakan tetapi tidak memendekkan masa pengenapan.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems