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
+−120 VRa​ = 0.5 ΩIa​ = 30 AM+−EωT

Motor DC menarik 30 A daripada bekalan 120 V. Rintangan angkernya ialah 0.5 Ω dan kehilangan putarannya (geseran, rintangan angin dan besi) ialah 252 W. Cari kecekapannya η.

V = 120 VIa = 30 ARa = 0.5 ΩProt = 252 W
η = %
2.Motor DCSukar
+−48 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 0.8 N·m

Motor DC teruja berasingan (k = 0.4 V·s/rad pada medan penuh, Ra = 1 Ω, V = 48 V) memacu tork beban malar 0.8 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 70 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 48 Vk = 0.4 V·s/radRa = 1 ΩT = 0.8 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
N1​ = 25, m = 5 mm

Sebuah motor 3 kW yang berjalan pada 960 rpm menggerakkan pinion dengan 25 gigi dan modul 5 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.

P = 3 kWn = 960 rpmN1 = 25m = 5 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 16B = 80C = 60D = 72

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (16 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 1450 rpm memacu gear B (80 gigi). Gear C (60 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (72 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 80C = 60D = 72
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 1010 V2ᴺ − 101 LSB1.472 V?

ADC 10-bit dengan julat input 0 hingga 10 V memangkas: kod outputnya ialah ⌊Vin/LSB⌋ dengan 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Cari kod output perpuluhan D untuk input 1.472 V.

N = 10VFSR = 10 VVin = 1.472 V
D =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
f0fs​/2fs​6 kHz5f₁?

Gelombang segi empat 6 kHz disampel pada 50 kHz tanpa penapis anti-alias. Gelombang segi empat mengandungi harmonik ganjil 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Pada frekuensi fa yang manakah harmonik 5f₁ muncul dalam data tersampel? Berikan dalam kHz.

f₁ = 6 kHzfs = 50 kHzharmonik: 5f₁
fa = kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−6 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−Vab​ = ?

Jambatan mempunyai empat lengan 100 Ω dan Vs = 6 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 25 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.

Vs = 6 VR = 100 ΩΔR = 25 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Sel beban (jambatan penuh tolok terikan) mempunyai output terkadar 2 mV/V pada beban terkadarnya 100 kg. Ia diujakan dengan 5 V. Cari outputnya Vo di bawah beban 20 kg.

2 mV/VFrated = 100 kgVs = 5 VF = 20 kg
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 420.5s + 1C(s)−

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

G(s) = 2/(0.5s + 1)K = 4
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+K = 4010s(s + 5)C(s)−

Pengawal berkadar K = 40 memacu loji G(s) = 10/(s(s + 5)) dalam gelung suap balik unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 40
ts = s
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)3

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 57/(s² + 2s + 19) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.

G(s) = 57/(s² + 2s + 19)
σ =
12.Sambutan langkahSukar
+−12 VR = 42 ΩL = 500 mHC = 100 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 42 Ω, L = 500 mH dan C = 100 µF disambungkan kepada langkah 12 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari voltan pemuat puncak vC,max.

R = 42 ΩL = 500 mHC = 100 µFV = 12 V
vC,max = V

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: η = 80.5 %

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 = 120·30 = 3600 W
Pdev = 105·30 = 3150 W
Pout = 3150 − 252 = 2898 W

Kecekapan

η = 2898/3600·100 = 80.5 %

Jawapan

η = 80.5 %
2.Motor DC

Jawapan: n = 1540 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 = 0.7·0.4 = 0.28 V·s/rad

Arus angker baharu

Ia = 0.8/0.28 = 2.857 A

Laju baharu

ω = (48 − 2.857·1)/0.28 = 161.2 rad/s → n = 1540 rpm

Jawapan

n = 1540 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Ft = 477.5 N

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.

Tork pada pinion

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 3000/100.5 = 29.84 N·m

Diameter pic

d = m·N = 5·25 = 125 mm

Daya tangen

Ft = 2T/d = 2·29.84/0.125 = 477.5 N

Jawapan

Ft = 477.5 N
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 241.7 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 = 1450·16/80 = 290 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 290·60/72 = 241.7 rpm

Jawapan

nout = 241.7 rpm

nisbah keseluruhan = 6 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: D = 150

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.

Saiz langkah

1 LSB = 10/210 = 9.766 mV

Kod

Vin/LSB = 1472/9.766 = 150.7
kod = ⌊150.7⌋ = 150

Jawapan

D = 150

Dalam perduaan itu ialah 0010010110.

6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: fa = 20 kHz

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

5f₁ = 5·6 kHz = 30 kHz

Gandaan kadar pensampelan yang terdekat

m = round(0.6) = 1

Frekuensi alias

fa = |30 − 1·50| = 20 kHz

Jawapan

fa = 20 kHz

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: Vab = 333.3 mV

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 = 6·125/225 = 3.333 V
Vb = 3 V

Pengeluaran

Vab = 333.3 mV

Jawapan

Vab = 333.3 mV

Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 375 mV adalah 12.5 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.

8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 2 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.

Output skala penuh

2·5 = 10 mV

Output pada beban ini

Vo = 10·20/100 = 2 mV

Jawapan

Vo = 2 mV
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 = 4·2 = 8

Ralat langkah

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

Jawapan

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

Jawapan: ts = 1.6 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 + 5) + 40·10 = s² + 5s + 400

ωₙ dan ζ

ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 5/(2·20) = 0.125

Masa pengenapan

ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

Jawapan

ts = 1.6 s

Masa penetapan tidak bergantung pada K di sini: menaikkan K hanya menjadikan sambutan berayun lebih laju.

11.Sambutan langkah

Jawapan: σ = −1

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 = 19 → ωₙ = 4.359 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4.359) = 0.2294

Keputusan

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Jawapan

σ = −1
12.Sambutan langkah

Jawapan: vC,max = 16.52 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/√(0.5·1 × 10⁻⁴) = 141.4 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (42/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.5) = 0.297

Keputusan

%OS = 37.64 %
vC,max = 12·(1 + 0.3764) = 16.52 V

Jawapan

vC,max = 16.52 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems