Мехатронные системы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Двигатели постоянного тока

Цепь якоря
V = E + IaRa
Противо-ЭДС и момент
E = k·ω, T = k·Ia
Скорость
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Скорость холостого хода и момент при заторможенном роторе
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Мощности
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулирование скорости
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальная развиваемая мощность
Pmax = V²/(4Ra)
Привод с прерывателем
Va = D·Vdc

Метод

  1. Нарисуйте цепь якоря: источник V, сопротивление Ra и противо-ЭДС E включены последовательно.
  2. Используйте V = E + Ia·Ra, чтобы связать напряжение, ток и противо-ЭДС.
  3. Используйте E = k·ω для скорости и T = k·Ia для момента, где ω = 2π·n/60.
  4. Для мощности и КПД начните с V·Ia, вычтите потери в меди Ia²·Ra, а затем потери на вращение.

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Сбор данных и дискретизация

Критерий Найквиста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Ложная частота
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Шаг квантования
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ошибка квантования (округление)
±½ LSB
АЦП с отбрасыванием остатка
D = ⌊Vin/LSB⌋
Число разрядов для разрешения r
2ᴺ ≥ span/r
Идеальное SQNR, синусоида на полной шкале
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Скорость передачи данных
каналы × fs × N bit/s
АЦП с мультиплексором
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 бит на байт; byte/s = baud/число бит в кадре
Делитель скорости передачи
baud = fclk/(16·D)

Метод

  1. Запишите, что дано: частоту дискретизации, частоты сигналов, число разрядов, диапазон входа, скорость в бодах.
  2. В задачах на дискретизацию сравнивайте каждую частоту с fs/2; более высокая частота появляется как fa = |f − k·fs| с ближайшим кратным fs.
  3. В задачах на разрешение найдите 1 LSB = VFSR/2ᴺ или наименьшее N, при котором 2ᴺ ≥ диапазон/разрешение.
  4. Для скоростей передачи данных и каналов UART считайте всё, что передаётся: каналы, отсчёты в секунду, биты или целые байты на отсчёт, а также стартовые, контрольные и стоповые биты каждого кадра.

Мост Уитстона и тензорезисторы

Напряжения делителей
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Выделение
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордный мост
R/Rx = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коэффициент тензочувствительности
ΔR/R = GF·ε
Выход моста
четвертьмост Vs·GF·ε/4, полумост Vs·GF·ε/2, полный мост Vs·GF·ε
Малое изменение, одно плечо
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напряжение
σ = E·ε

Метод

  1. Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
  2. Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
  3. Для неуравновешенного моста найдите Va и Vb по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
  4. Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте Vs·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.

Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Тренировочные задачи

1.Двигатели постоянного токаСредняя
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Двигатель постоянного тока с k = 1 V·s/rad работает от 220 V. Пренебрегая всеми потерями на холостом ходу, найдите его скорость холостого хода n0 в rpm.

V = 220 Vk = 1 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 1,2 Ω80 AM+−E = 0n = 0T

Двигатель постоянного тока на 220 V имеет сопротивление якоря 1,2 Ω. Найдите последовательное пусковое сопротивление Rst, ограничивающее пусковой ток до 80 A.

V = 220 VRa = 1,2 ΩImax = 80 A
Rst = Ω
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 25N2​ = 36

Двигатель мощностью 7,5 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с числом зубьев 25, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 36. КПД зубчатой пары — 95 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 7,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 25N2 = 36η = 95%
T1 = N·m
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 80C = 40D = 45

Двигатель мощностью 5,5 kW с частотой 1450 rpm приводит колесо A (12 зубьев), которое зацепляется с колесом B (80 зубьев). Колесо C (40 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (45 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 96%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 5,5 kWnin = 1450 rpmA = 12B = 80C = 40D = 45ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
122 ch∿01N = 1450 kHz? MB

Регистратор дискретизирует 2 каналов с частотой 50 kHz каждый с помощью 14-разрядного АЦП. Каждый отсчёт хранится в целом числе байт. Найдите объём памяти M, необходимый для записи длительностью 15 min, в MB (1 MB = 10⁶ байт).

n = 2fs = 50 kHzN = 14t = 15 min
M = MB
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудиоизмерения нужно идеальное отношение сигнал/шум квантования не менее 96 dB для синусоиды на полной шкале. Найдите наименьшее число разрядов АЦП N.

SQNR ≥ 96 dB
N =
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−5 VR1​ = 120 ΩR2​ = 600 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 300 ΩabGRg​ = 200 Ω

Гальванометр с сопротивлением 200 Ω включён между a и b показанного моста (Vs = 5 V). Найдите ток гальванометра Ig от a к b в µA.

Vs = 5 VR1 = 120 ΩR2 = 600 ΩR3 = 300 ΩR4 = 300 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Четвертьмост (один активный тензорезистор, GF = 2) питается напряжением 2,5 V. Наибольшая измеряемая деформация составляет 200 µε, и она должна давать 5 V на входе аналого-цифрового преобразователя. Найдите коэффициент усиления усилителя G.

Vs = 2,5 VGF = 2εmax = 200 µεVFS = 5 V
G =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 1t+Ks(s + 4)C(s)−

Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 4)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 1t с установившейся ошибкой 0,01. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 1tess = 0,01
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 501s(s + 10)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 50 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 50
ts = s
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 177/(s² + 12s + 59) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 177/(s² + 12s + 59)
%OS = %
12.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 6)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 5 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 5 %
K =

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n0 = 2101 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Скорость холостого хода

ω₀ = V/k = 220/1 = 220 rad/s
n0 = 60·220/(2π) = 2101 rpm

Ответ

n0 = 2101 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: Rst = 1,55 Ω

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Полное сопротивление

Ra + Rst = 220/80 = 2,75 Ω

Пусковой резистор

Rst = 2,75 − 1,2 = 1,55 Ω

Ответ

Rst = 1,55 Ω

Резистор выводят ступенями по мере разгона двигателя и роста противо-ЭДС.

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 74,6 N·m

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Момент двигателя

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/100,5 = 74,6 N·m

Ответ

T1 = 74,6 N·m
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 250,4 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.

Скорость на выходе

nout = 1450·(12/80)·(40/45) = 193,3 rpm
ωout = 2π·193,3/60 = 20,25 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 5500·0,96² = 5069 W
Tout = Pout/ωout = 5069/20,25 = 250,4 N·m

Ответ

Tout = 250,4 N·m
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: M = 180 MB

Скорости передачи данных: каждый канал выдаёт fs отсчётов в секунду по N бит, поэтому исходная скорость равна каналы × fs × N bit/s. В памяти отсчёт занимает целое число байт (12-разрядный отсчёт хранится в 2 байтах), поэтому память для записи равна каналы × fs × байт на отсчёт × время. АЦП с мультиплексором преобразует каналы один за другим: каждое преобразование (с установлением) занимает время t, поэтому один цикл по n каналам занимает n·t, а каждый канал дискретизируется с частотой 1/(n·t).

Байт на отсчёт

⌈14/8⌉ = 2 B

Скорость в байтах

2·50000·2 = 200000 B/s

Память

M = 200000·900 = 1,8 × 10⁸ B = 180 MB

Ответ

M = 180 MB
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 16

Разрешение АЦП: N-разрядный преобразователь делит свой диапазон полной шкалы VFSR на 2ᴺ кодов, от 0 до 2ᴺ − 1. Один шаг равен 1 LSB = VFSR/2ᴺ: это наименьшее изменение, которое преобразователь может показать. АЦП с отбрасыванием остатка выдаёт код ⌊Vin/LSB⌋; АЦП с округлением никогда не отличается от истинного значения больше чем на ½ LSB, это его ошибка квантования. Каждый дополнительный разряд уменьшает LSB вдвое и добавляет примерно 6 dB к идеальному отношению сигнал/шум квантования SQNR = 6,02·N + 1,76 dB для синусоиды на полной шкале. Чтобы получить разрешение r в некотором диапазоне, выберите наименьшее N, для которого 2ᴺ ≥ диапазон/r.

Решите относительно N

N ≥ (96 − 1,76)/6,02 = 15,65

Округлите вверх

N = 16
проверка: 6,02·16 + 1,76 = 98,08 dB ≥ 96 dB

Ответ

N = 16
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Ig = 3704 µA

Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника Vs. Левый делитель R1–R2 даёт Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правый делитель R3–R4 даёт Vb = Vs·R4/(R3 + R4); выход равен Vab = Va − Vb. Мост уравновешен (Vab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R1/R2 = R3/R4, то есть R1·R4 = R2·R3. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Напряжение Тевенина

Vth = 5·(600/720 − 300/600) = 1,667 V

Сопротивление Тевенина

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 250 Ω

Ток гальванометра

Ig = 1,667/(250 + 200) = 3704 µA

Ответ

Ig = 3704 µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: G = 20000

Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают Vs·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — Vs·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.

Выход моста при полной шкале

Vo = 0,25 mV

Коэффициент усиления

G = 5/0,00025 = 20000

Ответ

G = 20000
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 400

Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.

Требуемый коэффициент скоростной ошибки

Kv = A/ess = 1/0,01 = 100

Коэффициент усиления

K = 4·Kv = 400

Ответ

K = 400

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,1. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 0,8 s

П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристический полином

s(s + 10) + 50·1 = s² + 10s + 50

ωₙ и ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 10/(2·7,071) = 0,7071

Время установления

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Ответ

ts = 0,8 s

Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.

11.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 1,964 %

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 59 → ωₙ = 7,681 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7,681) = 0,7811

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,93 = 1,964 %

Ответ

%OS = 1,964 %
12.Переходная характеристика

Ответ: K = 18,9

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Коэффициент усиления

ωₙ = 6/(2ζ) = 4,347 rad/s
K = ωₙ² = 18,9

Ответ

K = 18,9

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems