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
+−24 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

Двигатель постоянного тока потребляет 5 A от источника 24 V. Сопротивление якоря равно 0,5 Ω, а потери на вращение (трение, сопротивление воздуха и потери в железе) составляют 3 W. Найдите его КПД η.

V = 24 VIa = 5 ARa = 0,5 ΩProt = 3 W
η = %
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−110 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 6 N·m

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (k = 1,5 V·s/rad при полном поле, Ra = 1 Ω, V = 110 V) приводит нагрузку с постоянным моментом 6 N·m. Поток возбуждения уменьшают до 75 % от полного значения. Найдите новую скорость n.

V = 110 Vk = 1,5 V·s/radRa = 1 ΩT = 6 N·mΦ = 75 %
n = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 30, m = 2,5 mm

Двигатель мощностью 3 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 30 зубьями и модулем 2,5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 3 kWn = 960 rpmN1 = 30m = 2,5 mm
Ft = N
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 50B = 72C = 18D = 24

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой 2900 rpm приводит колесо A (50 зубьев), которое зацепляется с колесом B (72 зубьев). Колесо C (18 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (24 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 97%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 1,1 kWnin = 2900 rpmA = 50B = 72C = 18D = 24ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
tTs​ = 1/fs​f = 1,2 kHzfs​ = 1 kHz

Синусоида 1,2 kHz дискретизируется с частотой 1 kHz без антиэлайзингового фильтра. На какой частоте fa она появится в отсчётах? Дайте ответ в Hz.

f = 1,2 kHzfs = 1 kHz
fa = Hz
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
128⋮8 ch∿01tc​ = 20 µstset​ = 2,5 µsfs​ = ?

8-канальный мультиплексор подаёт сигналы на один АЦП. Каждое преобразование занимает 20 µs, а после каждого переключения канала входу нужно 2,5 µs для установления. Каналы опрашиваются по очереди без пауз. Найдите частоту дискретизации fs каждого канала в kHz.

n = 8tc = 20 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−9 VR1​ = 600 ΩR2​ = 400 ΩR3​ = 500 ΩR4​ = 300 Ωab+−Rth​ = ?

Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.

Vs = 9 VR1 = 600 ΩR2 = 400 ΩR3 = 500 ΩR4 = 300 Ω
Rth = Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−1,575 mV

Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2,1) питается напряжением 3 V. Под нагрузкой выход показывает 1,575 mV. Найдите деформацию ε в µε.

Vs = 3 VGF = 2,1Vo = 1,575 mV
ε = µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 0,5·t²/2+4(s + 2)s²(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 5)) подан параболический вход r(t) = 0,5·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 410s(s + 10)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 4 управляет объектом G(s) = 10/(s(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 10/(s(s + 10))K = 4
tp = s
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3ts​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 234/(s² + 11s + 78) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 234/(s² + 11s + 78)
ts = s
12.Переходная характеристикаСложная
R(s)+295s(s + 12)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 295/(s(s + 12)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 295/(s(s + 12))
ts = s

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: η = 87,08 %

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.

Мощности

Pin = 24·5 = 120 W
Pdev = 21,5·5 = 107,5 W
Pout = 107,5 − 3 = 104,5 W

КПД

η = 104,5/120·100 = 87,08 %

Ответ

η = 87,08 %
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 888,4 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.

Ослабленная постоянная двигателя

k₂ = 0,75·1,5 = 1,125 V·s/rad

Новый ток якоря

Ia = 6/1,125 = 5,333 A

Новая скорость

ω = (110 − 5,333·1)/1,125 = 93,04 rad/s → n = 888,4 rpm

Ответ

n = 888,4 rpm

Ослабление поля — способ, которым привод постоянного тока работает выше основной скорости.

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 795,8 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.

Вращающий момент на шестерне

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 3000/100,5 = 29,84 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2,5·30 = 75 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·29,84/0,075 = 795,8 N

Ответ

Ft = 795,8 N
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 6,544 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 = 2900·(50/72)·(18/24) = 1510 rpm
ωout = 2π·1510/60 = 158,2 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 1100·0,97² = 1035 W
Tout = Pout/ωout = 1035/158,2 = 6,544 N·m

Ответ

Tout = 6,544 N·m
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fa = 200 Hz

Дискретизация: АЦП измеряет сигнал fs раз в секунду. По теореме Найквиста–Шеннона частота f фиксируется правильно, только пока f < fs/2, то есть ниже частоты Найквиста (частоты свёртки), поэтому частота дискретизации должна превышать удвоенную наивысшую частоту сигнала. Более высокая частота не теряется: она проявляется как ложная частота fa = |f − k·fs|, где целое число k выбирается так, чтобы результат оказался между 0 и fs/2. Отсчёты не позволяют различить эти две частоты, поэтому аналоговый антиэлайзинговый фильтр должен удалить всё выше fs/2 до АЦП.

Частота Найквиста

fs/2 = 500 Hz < f = 1,2 kHz

Ближайшее кратное частоты дискретизации

k = round(1200/1000) = 1

Ложная частота

fa = |1200 − 1·1000| = 200 Hz

Ответ

fa = 200 Hz

Штриховая кривая на рисунке — это ложная частота: она проходит ровно через те же отсчёты.

6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fs = 5,556 kHz

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).

Время на канал

20 + 2,5 = 22,5 µs

Время на опрос

8·22,5 = 180 µs

Частота дискретизации на канал

fs = 1/180 µs = 5,556 kHz

Ответ

fs = 5,556 kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Rth = 427,5 Ω

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.

Источник замкнут накоротко

R₁∥R₂ = 600·400/1000 = 240 Ω
R₃∥R₄ = 500·300/800 = 187,5 Ω

Сопротивление Тевенина

Rth = 427,5 Ω

Ответ

Rth = 427,5 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 1000 µε

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.

Решите уравнение четвертьмоста

ε = 4·0,001575/(3·2,1) = 0,001

В микродеформациях

ε = 1000 µε

Ответ

ε = 1000 µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,3125

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.

Коэффициент ошибки по ускорению

Ka = 4·2/5 = 1,6

Ошибка по параболическому воздействию

ess = 0,5/1,6 = 0,3125

Ответ

ess = 0,3125
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: tp = 0,8112 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) + 4·10 = s² + 10s + 40

ωₙ и ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Время пика

ωd = 6,325·√(1 − 0,7906²) = 3,873 rad/s
tp = π/3,873 = 0,8112 s

Ответ

tp = 0,8112 s
11.Переходная характеристика

Ответ: ts = 0,7273 s

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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,832) = 0,6228

Результат

ζωₙ = 5,5 → ts ≈ 4/5,5 = 0,7273 s

Ответ

ts = 0,7273 s
12.Переходная характеристика

Ответ: ts = 0,6667 s

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) = 295/(s² + 12s + 295): ωₙ = 17,18 rad/s, ζ = 0,3493

Время установления

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Ответ

ts = 0,6667 s

Для этого контура ζωₙ = a/2 при любом K: увеличение K усиливает перерегулирование, но не сокращает время установления.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems