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
+−120 VRa​ = 0,8 ΩIa​ = 6 AM+−EωT

Двигатель постоянного тока потребляет 6 A от источника 120 V. Сопротивление якоря равно 0,8 Ω, а потери на вращение (трение, сопротивление воздуха и потери в железе) составляют 21 W. Найдите его КПД η.

V = 120 VIa = 6 ARa = 0,8 ΩProt = 21 W
η = %
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 2 Ω60 AM+−E = 0n = 0T

Двигатель постоянного тока на 240 V имеет сопротивление якоря 2 Ω. Найдите последовательное пусковое сопротивление Rst, ограничивающее пусковой ток до 60 A.

V = 240 VRa = 2 ΩImax = 60 A
Rst = Ω
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 30N2​ = 45

Двигатель мощностью 4 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 30, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 45. КПД зубчатой пары — 96 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 30N2 = 45η = 96%
T2 = N·m
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 36C = 16D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (12 зубьев) на входном валу вращается с частотой 2880 rpm и приводит колесо B (36 зубьев). Колесо C (16 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 256 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 2880 rpmA = 12B = 36C = 16nout = 256 rpm
ND =
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 102,5 V2ᴺ − 101 LSB0,68 V?

10-разрядный АЦП с диапазоном входа от 0 до 2,5 V отбрасывает остаток: его выходной код равен ⌊Vin/LSB⌋ при 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Найдите десятичный выходной код D для входного напряжения 0,68 V.

N = 10VFSR = 2,5 VVin = 0,68 V
D =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудиоизмерения нужно идеальное отношение сигнал/шум квантования не менее 85 dB для синусоиды на полной шкале. Найдите наименьшее число разрядов АЦП N.

SQNR ≥ 85 dB
N =
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−10 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−Vab​ = ?

Мост имеет четыре плеча по 500 Ω и Vs = 10 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 75 Ω. Найдите точный выход Vab в mV.

Vs = 10 VR = 500 ΩΔR = 75 Ω
Vab = mV
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Четвертьмост (один активный тензорезистор, GF = 2,12) питается напряжением 3 V. Наибольшая измеряемая деформация составляет 1200 µε, и она должна давать 10 V на входе аналого-цифрового преобразователя. Найдите коэффициент усиления усилителя G.

Vs = 3 VGF = 2,12εmax = 1200 µεVFS = 10 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 0,5. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 1tess = 0,5
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K2s(s + 8)C(s)−

Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 2/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите коэффициент усиления K, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,6.

G(s) = 2/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 32/(s² + 6s + 32) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 32/(s² + 6s + 32)
σ =
12.Переходная характеристикаСложная
k = 800 N/mc = 76 N·s/mm = 5 kgF = 10 Nx(t)

Масса m = 5 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 76 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 10 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 5 kgk = 800 N/mc = 76 N·s/mF = 10 N
ζ =

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: η = 93,08 %

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 = 120·6 = 720 W
Pdev = 115,2·6 = 691,2 W
Pout = 691,2 − 21 = 670,2 W

КПД

η = 670,2/720·100 = 93,08 %

Ответ

η = 93,08 %
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: Rst = 2 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 = 240/60 = 4 Ω

Пусковой резистор

Rst = 4 − 2 = 2 Ω

Ответ

Rst = 2 Ω

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

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 38,2 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150,8 = 26,53 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 26,53·45/30·0,96 = 38,2 N·m

Ответ

T2 = 38,2 N·m
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 60

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.

Частота вращения промежуточного вала

nB = nC = 2880·12/36 = 960 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 16·960/256 = 60

Ответ

ND = 60
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: D = 278

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.

Шаг квантования

1 LSB = 2,5/210 = 2,441 mV

Код

Vin/LSB = 680/2,441 = 278,5
код = ⌊278,5⌋ = 278

Ответ

D = 278

В двоичном виде это 0100010110.

6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 14

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 ≥ (85 − 1,76)/6,02 = 13,83

Округлите вверх

N = 14
проверка: 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB ≥ 85 dB

Ответ

N = 14
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vab = 348,8 mV

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.

Напряжения узлов

Va = 10·575/1075 = 5,349 V
Vb = 5 V

Выделение

Vab = 348,8 mV

Ответ

Vab = 348,8 mV

Линейная оценка Vs·ΔR/(4R) = 375 mV завышена на 7,5 %: четвертьмост не совсем линеен.

8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: G = 5241

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 = 1,908 mV

Коэффициент усиления

G = 10/0,001908 = 5241

Ответ

G = 5241
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 8

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 = 1/0,5 = 2

Коэффициент усиления

K = 4·Kv = 8

Ответ

K = 8

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,7071. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 22,22

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 + 8) + 2K = s² + 8s + 2K

Собственная частота

2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Коэффициент усиления

2K = ωₙ² = 44,44 → K = 22,22

Ответ

K = 22,22
11.Переходная характеристика

Ответ: σ = −3

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 = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,657) = 0,5303

Результат

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Ответ

σ = −3
12.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,6008

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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(800/5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 76/(2·√(800·5)) = 0,6008

Результат

ζ = 0,6008

Ответ

ζ = 0,6008

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems