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
+−110 VRa​ = 0.4 ΩIa​ = 12 AM+−EωT

Motor DC menarik 12 A daripada bekalan 110 V. Rintangan angkernya ialah 0.4 Ω dan kehilangan putarannya (geseran, rintangan angin dan besi) ialah 50 W. Cari kecekapannya η.

V = 110 VIa = 12 ARa = 0.4 ΩProt = 50 W
η = %
2.Motor DCSukar
+−24 VRa​ = 0.8 ΩIa​: 2 → 0.5 AM+−En = ?T

Motor DC teruja berasingan pada 24 V (Ra = 0.8 Ω) berjalan pada 1440 rpm dengan arus angker 2 A. Beban berubah dan arus menjadi 0.5 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.

V = 24 VRa = 0.8 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 2 AIa2 = 0.5 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Tw​ = ?z = 2, 1450 rpm

Sebuah motor 0.75 kW pada 1450 rpm menggerakkan cacing dengan 2 permulaan. Roda cacing mempunyai 40 gigi dan pemacu itu berkecekapan 80%. Cari tork keluaran Tw pada aci roda.

z = 2Nw = 40n = 1450 rpmP = 0.75 kWη = 80%
Tw = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
A = 25B = 50C = 16D = 50

Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (25 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 1450 rpm memacu gear B (50 gigi). Gear C (16 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (50 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.

nin = 1450 rpmA = 25B = 50C = 16D = 50
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = ?500 kPa2ᴺ − 10≤ 1 kPa

Penderia mengukur tekanan pada julat 500 kPa, dan outputnya memenuhi seluruh julat input ADC. Bacaan mesti meleraikan 1 kPa. Cari bilangan bit terkecil N yang diperlukan oleh ADC.

julat = 500 kParesolusi = 1 kPa
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
T1 mV/°C×2.5∿01N = 12, 3.3 V? °C/LSB

Penderia suhu memberikan 1 mV/°C (0 V pada 0 °C). Isyaratnya dikuatkan 2.5 kali dan disalurkan kepada ADC 12-bit dengan julat 0 hingga 3.3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Cari perubahan suhu ΔTLSB yang sepadan dengan satu LSB.

S = 1 mV/°CG = 2.5N = 12VFSR = 3.3 V
ΔTLSB = °C
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−12 V330 Ω330 Ω + ΔR330 Ω330 Ωab+−29.85 mV

Jambatan dengan empat lengan 330 Ω dibekalkan dengan 12 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 29.85 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.

Vs = 12 VR = 330 ΩVab = 29.85 mV
ΔR = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1.125 mV

Jambatan suku dengan satu tolok aktif (GF = 2) diujakan dengan 3 V. Di bawah beban output menunjukkan 1.125 mV. Cari terikan ε dalam µε.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 1.125 mV
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 5 + 3t+4s(s + 10)C(s)−

Input r(t) = 5 + 3t (langkah tambah tanjakan) dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 4/(s(s + 10)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 4/(s(s + 10))r(t) = 5 + 3t
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
r(t) = 5t+2 + 5/s2(s + 1)(s + 5)C(s)−

Pengawal PI C(s) = 2 + 5/s memacu loji G(s) = 2/((s + 1)(s + 5)) dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk input tanjakan r(t) = 5t.

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 2/((s + 1)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)0.5

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 29/(s² + 10s + 58) dan menerima input langkah unit. Cari nisbah redaman ζ.

G(s) = 29/(s² + 10s + 58)
ζ =
12.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 12)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 15 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 15 %
K =

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: η = 91.85 %

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 = 110·12 = 1320 W
Pdev = 105.2·12 = 1262 W
Pout = 1262 − 50 = 1212 W

Kecekapan

η = 1212/1320·100 = 91.85 %

Jawapan

η = 91.85 %
2.Motor DC

Jawapan: n2 = 1517 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 = 24 − 2·0.8 = 22.4 V
E2 = 24 − 0.5·0.8 = 23.6 V

Laju baharu

n2 = 1440·23.6/22.4 = 1517 rpm

Jawapan

n2 = 1517 rpm
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: Tw = 79.03 N·m

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 roda

nw = n·z/Nw = 1450·2/40 = 72.5 rpm

Tork keluaran

ωw = 2π·72.5/60 = 7.592 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.8·750/7.592 = 79.03 N·m

Jawapan

Tw = 79.03 N·m
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: nout = 232 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 = 1450·25/50 = 725 rpm = nC

Peringkat kedua

nout = 725·16/50 = 232 rpm

Jawapan

nout = 232 rpm

nisbah keseluruhan = 6.25 : 1

5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 9

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

500/1 = 500

Bit

log₂(500) = 8.966
28 = 256 < 500 ≤ 29 = 512
N = 9

Jawapan

N = 9
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: ΔTLSB = 0.3223 °C

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 = 3300/4096 = 0.8057 mV

Kepekaan pada ADC

1·2.5 = 2.5 mV/°C

Resolusi suhu

ΔTLSB = 0.8057/2.5 = 0.3223 °C

Jawapan

ΔTLSB = 0.3223 °C

ADC mencapai skala penuh pada 1320 °C.

7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ΔR = 3.3 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 + 0.02985 = 6.03 V

Selesaikan pembahagi

R₂ = 330·6.03/(12 − 6.03) = 333.3 Ω
ΔR = 333.3 − 330 = 3.3 Ω

Jawapan

ΔR = 3.3 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ε = 750 µε

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.

Selesaikan persamaan jambatan suku

ε = 4·0.001125/(3·2) = 0.00075

Dalam mikroterikan

ε = 750 µε

Jawapan

ε = 750 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 7.5

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 halaju

Kv = lim s·G(s) = 0.4

Bahagian langkah

Kp = ∞ → estep = 0

Ralat tanjakan

ess = 3/0.4 = 7.5

Jawapan

ess = 7.5
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 2.5

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).

Pemalar halaju

s·C(s) = 2s + 5 → 5 apabila s → 0.

Kv = 5·2/5 = 2

Ralat tanjakan

ess = 5/2 = 2.5

Jawapan

ess = 2.5

Pengawal PI menghapuskan ralat langkah sepenuhnya; tanjakan diikuti dengan ketinggalan malar.

11.Sambutan langkah

Jawapan: ζ = 0.6565

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 = 58 → ωₙ = 7.616 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7.616) = 0.6565

Keputusan

ζ = 0.6565

Jawapan

ζ = 0.6565
12.Sambutan langkah

Jawapan: K = 134.7

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) = K/(s² + 12s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

Gandaan

ωₙ = 12/(2ζ) = 11.61 rad/s
K = ωₙ² = 134.7

Jawapan

K = 134.7

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems