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 = 1000 rpmT = ?

Motor DC menyalurkan 7.5 kW kuasa mekanikal pada 1000 rpm. Cari tork aci T.

P = 7.5 kWn = 1000 rpm
T = N·m
2.Motor DCSukar
+−240 VD = ?Ra​ = 0.25 ΩM+−En = 1000 rpmT = 60 N·m

Pencincang DC menyuap motor (k = 1.5 V·s/rad, Ra = 0.25 Ω) daripada bas DC 240 V. Voltan angker purata ialah D·240 V. Cari kitar tugas D yang menjalankan motor pada 1000 rpm dengan beban 60 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 60 N·mn = 1000 rpm
D = %
3.Gear & rangkaian gearSederhana
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm1450 rpmT1​ = 800 NT2​ = 400 NP = ?

Tali sawat berjalan pada takal pemacu 120 mm pada 1450 rpm. Tegangannya ialah 800 N pada sisi kencang dan 400 N pada sisi kendur. Cari kuasa P yang dipindahkan, dalam kW.

d1 = 120 mmn1 = 1450 rpmT1 = 800 NT2 = 400 N
P = kW
4.Gear & rangkaian gearSukar
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 800 mmθ = ?

Tali sawat terbuka menyambungkan takal 125 mm dan takal 200 mm yang pusatnya berjarak 800 mm. Cari sudut lilitan θ pada takal yang lebih kecil, dalam darjah.

d1 = 125 mmd2 = 200 mmC = 800 mm
θ = °
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Vin​N = 10VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 10-bit untuk gelombang sinus skala penuh.

N = 10
SQNR = dB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Pengukuran audio memerlukan nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul sekurang-kurangnya 60 dB untuk gelombang sinus skala penuh. Cari bilangan bit ADC terkecil N.

SQNR ≥ 60 dB
N =
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
+−2 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−9.9 mV

Jambatan dengan empat lengan 150 Ω dibekalkan dengan 2 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 9.9 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.

Vs = 2 VR = 150 ΩVab = 9.9 mV
ΔR = Ω
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 1.5 mV/V pada beban terkadarnya 200 kg. Ia diujakan dengan 5 V. Cari outputnya Vo di bawah beban 100 kg.

1.5 mV/VFrated = 200 kgVs = 5 VF = 100 kg
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 4t+4(s + 1)s(s + 2)C(s)−

Tanjakan r(t) = 4t dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 2)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 2))r(t) = 4t
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 5/(s + 2) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 8 rad/s dan ζ = 0.8. Cari gandaan kamiran Ki.

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.8
Ki =
11.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)3?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 21/(s² + 3s + 7) dan menerima input langkah unit. Cari peratusan lajakan %OS bagi sambutan langkah.

G(s) = 21/(s² + 3s + 7)
%OS = %
12.Sambutan langkahSukar
+−10 VR = 175 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 175 Ω, L = 100 mH dan C = 4.7 µF disambungkan kepada langkah 10 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari masa tp bagi puncak voltan pertama, dalam ms.

R = 175 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFV = 10 V
tp = ms

3Larutan

1.Motor DC

Jawapan: T = 71.62 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·1000/60 = 104.7 rad/s

Tork

T = P/ω = 7500/104.7 = 71.62 N·m

Jawapan

T = 71.62 N·m
2.Motor DC

Jawapan: D = 69.62 %

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.

Voltan angker yang diperlukan

Va = 1.5·104.7 + 40·0.25 = 167.1 V

Kitar tugas

D = 167.1/240 = 69.62 %

Jawapan

D = 69.62 %
3.Gear & rangkaian gear

Jawapan: P = 3.644 kW

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Laju tali sawat

v = 9.111 m/s

Kuasa

P = (800 − 400)·9.111 = 3644 W = 3.644 kW

Jawapan

P = 3.644 kW
4.Gear & rangkaian gear

Jawapan: θ = 174.6 °

Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.

Sudut tali sawat

asin(0.04688) = 2.687°

Sudut lilitan

θ = 180 − 2·2.687 = 174.6°

Jawapan

θ = 174.6°
5.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: SQNR = 61.96 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 = 6.02·10 + 1.76 = 61.96 dB

Jawapan

SQNR = 61.96 dB
6.Perolehan data & pensampelan

Jawapan: N = 10

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.

Selesaikan untuk N

N ≥ (60 − 1.76)/6.02 = 9.674

Bundarkan ke atas

N = 10
semakan: 6.02·10 + 1.76 = 61.96 dB ≥ 60 dB

Jawapan

N = 10
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: ΔR = 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 = 1 + 0.0099 = 1.01 V

Selesaikan pembahagi

R₂ = 150·1.01/(2 − 1.01) = 153 Ω
ΔR = 153 − 150 = 3 Ω

Jawapan

ΔR = 3 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan

Jawapan: Vo = 3.75 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

1.5·5 = 7.5 mV

Output pada beban ini

Vo = 7.5·100/200 = 3.75 mV

Jawapan

Vo = 3.75 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 2

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) = 2

Ralat tanjakan

ess = 4/2 = 2

Jawapan

ess = 2
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Ki = 12.8

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 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.8·8s + 8² = s² + 12.8s + 64

Padankan pekali

5Ki = 64 → Ki = 12.8

Jawapan

Ki = 12.8

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

11.Sambutan langkah

Jawapan: %OS = 11.51 %

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 = 7 → ωₙ = 2.646 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2.646) = 0.5669

Keputusan

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.162 = 11.51 %

Jawapan

%OS = 11.51 %
12.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 2.692 ms

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/√(0.1·4.7 × 10⁻⁶) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (175/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.1) = 0.5999

Keputusan

ωd = 1167 rad/s
tp = π/ωd = 2.692 ms

Jawapan

tp = 2.692 ms

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems