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
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

Двигатель постоянного тока отдаёт механическую мощность 0,5 kW при 1200 rpm. Найдите момент на валу T.

P = 0,5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−48 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 0,24 N·m

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (k = 0,12 V·s/rad при полном поле, Ra = 1,5 Ω, V = 48 V) приводит нагрузку с постоянным моментом 0,24 N·m. Поток возбуждения уменьшают до 85 % от полного значения. Найдите новую скорость n.

V = 48 Vk = 0,12 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 0,24 N·mΦ = 85 %
n = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 30N2​ = 32

Двигатель мощностью 3 kW с частотой вращения 1500 rpm приводит шестерню с числом зубьев 30, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 32. КПД зубчатой пары — 97 %. Найдите крутящий момент T1 на валу двигателя.

P = 3 kWn1 = 1500 rpmN1 = 30N2 = 32η = 97%
T1 = N·m
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 500 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 125 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 500 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 125 mmd2 = 315 mmC = 500 mm
θ = °
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
∿01N = 245 kHz? MB

Регистратор дискретизирует один канал с частотой 5 kHz с помощью 24-разрядного АЦП. Каждый отсчёт хранится в целом числе байт. Найдите объём памяти M, необходимый для записи длительностью 2 min, в MB (1 MB = 10⁶ байт).

n = 1fs = 5 kHzN = 24t = 2 min
M = MB
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
1216⋮16 ch∿01tc​ = 1 µstset​ = 5 µsfs​ = ?

16-канальный мультиплексор подаёт сигналы на один АЦП. Каждое преобразование занимает 1 µs, а после каждого переключения канала входу нужно 5 µs для установления. Каналы опрашиваются по очереди без пауз. Найдите частоту дискретизации fs каждого канала в kHz.

n = 16tc = 1 µstset = 5 µs
fs = kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−9 VR1​ = 250 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 50 ΩabGRg​ = 500 Ω

Гальванометр с сопротивлением 500 Ω включён между a и b показанного моста (Vs = 9 V). Найдите ток гальванометра Ig от a к b в µA.

Vs = 9 VR1 = 250 ΩR2 = 60 ΩR3 = 300 ΩR4 = 50 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 5 V; конфигурация: два активных тензорезистора в соседних плечах, один на растяжение и один на сжатие (полумост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 750 µε. Найдите выход моста Vo в mV.

Vs = 5 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 1 + 2t+10(s + 3)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5)) подан вход r(t) = 1 + 2t (ступенька плюс линейное воздействие). Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 1 + 2t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 1C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 2/(s + 1) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 3 rad/s и ζ = 0,5. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 2/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 82/(s² + 7s + 82) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

G(s) = 82/(s² + 7s + 82)
ζ =
12.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s8 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей показывает перерегулирование 8 %, а первый пик наступает при t = 0,8 s. Найдите собственную частоту ωn.

%OS = 8 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: T = 3,979 N·m

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 в rad/s

ω = 2π·1200/60 = 125,7 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 500/125,7 = 3,979 N·m

Ответ

T = 3,979 N·m
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 4163 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 = 0,85·0,12 = 0,102 V·s/rad

Новый ток якоря

Ia = 0,24/0,102 = 2,353 A

Новая скорость

ω = (48 − 2,353·1,5)/0,102 = 436 rad/s → n = 4163 rpm

Ответ

n = 4163 rpm

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

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T1 = 19,1 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/157,1 = 19,1 N·m

Ответ

T1 = 19,1 N·m
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 158,1 °

Ременные передачи: без проскальзывания обод обоих шкивов имеет одну и ту же скорость v = π·d·n/60, поэтому n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточное отношение равно d₂/d₁. Проскальзывание s делает ведомый шкив немного медленнее: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передаваемая мощность равна P = (T₁ − T₂)·v, где T₁ — натяжение ведущей ветви, а T₂ — ведомой. Трение ограничивает отношение натяжений: T₁/T₂ = eμθ, где θ — угол обхвата в радианах на меньшем шкиве; для открытой передачи θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при межосевом расстоянии C.

Угол ремня

asin(0,19) = 10,95°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·10,95 = 158,1°

Ответ

θ = 158,1°
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: M = 1,8 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

⌈24/8⌉ = 3 B

Скорость в байтах

1·5000·3 = 15000 B/s

Память

M = 15000·120 = 1,8 × 10⁶ B = 1,8 MB

Ответ

M = 1,8 MB
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fs = 10,42 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

1 + 5 = 6 µs

Время на опрос

16·6 = 96 µs

Частота дискретизации на канал

fs = 1/96 µs = 10,42 kHz

Ответ

fs = 10,42 kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Ig = 771,6 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 = 9·(60/310 − 50/350) = 0,4562 V

Сопротивление Тевенина

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 91,24 Ω

Ток гальванометра

Ig = 0,4562/(91,24 + 500) = 771,6 µA

Ответ

Ig = 771,6 µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vo = 3,75 mV

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.

Относительное изменение сопротивления

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015

Выход моста

Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0,0015/2 = 3,75 mV

Ответ

Vo = 3,75 mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1,333

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 скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 1,5

Ступенчатая часть

Kp = ∞ → estep = 0

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/1,5 = 1,333

Ответ

ess = 1,333
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 4,5

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

1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 1).

s² + (1 + 2Kp)s + 2Ki

Целевой полином

s² + 2·0,5·3s + 3² = s² + 3s + 9

Приравняйте коэффициенты

2Ki = 9 → Ki = 4,5

Ответ

Ki = 4,5

Интегральная составляющая делает контур типа 1, поэтому ступенька отслеживается без установившейся ошибки.

11.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,3865

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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,055) = 0,3865

Результат

ζ = 0,3865

Ответ

ζ = 0,3865
12.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 5,039 rad/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).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

Собственная частота

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,7794 = 5,039 rad/s

Ответ

ωn = 5,039 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems