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​ = 1 ΩIa​ = 10 AM+−EωT

Двигатель постоянного тока потребляет 10 A от источника 120 V. Сопротивление якоря равно 1 Ω, а потери на вращение (трение, сопротивление воздуха и потери в железе) составляют 44 W. Найдите его КПД η.

V = 120 VIa = 10 ARa = 1 ΩProt = 44 W
η = %
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−220 VD = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 800 rpmT = 12 N·m

Прерыватель постоянного тока питает двигатель (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) от шины постоянного тока 220 V. Среднее напряжение якоря равно D·220 V. Найдите коэффициент заполнения D, при котором двигатель вращается со скоростью 800 rpm при нагрузке 12 N·m.

Vdc = 220 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 12 N·mn = 800 rpm
D = %
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 100 mm с частотой 720 rpm. Натяжение равно 600 N на ведущей ветви и 300 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 18B = 25C = 16D = 80

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (18 зуб.) на входном валу вращается с частотой 1440 rpm и приводит колесо B (25 зуб.). Колесо C (16 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (80 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 1440 rpmA = 18B = 25C = 16D = 80
nout = rpm
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
124⋮4 ch∿01N = 1050 kHz? MB

Регистратор дискретизирует 4 каналов с частотой 50 kHz каждый с помощью 10-разрядного АЦП. Каждый отсчёт хранится в целом числе байт. Найдите объём памяти M, необходимый для записи длительностью 60 min, в MB (1 MB = 10⁶ байт).

n = 4fs = 50 kHzN = 10t = 60 min
M = MB
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​32 MHz / (16·D)

Микроконтроллер с тактовой частотой 32 MHz задаёт скорость UART как fclk/(16·D), где D — целое число, округлённое до ближайшего значения. Целевая скорость — 57600 бод. Найдите относительную погрешность реальной скорости в бодах в процентах (положительную, если она слишком высока).

fclk = 32 MHzцелевая = 57600 Bd
e = %
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−9 VR1​ = 100 ΩR2​ = 800 ΩR3​ = 400 ΩR4​ = 400 Ωab+−Rth​ = ?

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

Vs = 9 VR1 = 100 ΩR2 = 800 ΩR3 = 400 ΩR4 = 400 Ω
Rth = Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−

Тензорезистор 1000 Ω с коэффициентом тензочувствительности 2 приклеен к стальному стержню. Под нагрузкой его сопротивление возрастает на 0,8 Ω. Найдите деформацию ε в микродеформациях (µε).

R = 1000 ΩGF = 2ΔR = 0,8 Ω
ε = µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 0,5t+4(s + 2)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 4(s + 2)/(s(s + 1)(s + 5)) подано линейное воздействие r(t) = 0,5t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 4(s + 2)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 0,5t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 2t+5 + 10/s4(s + 1)(s + 5)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 5 + 10/s управляет объектом G(s) = 4/((s + 1)(s + 5)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 2t.

C(s) = 5 + 10/sG(s) = 4/((s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 46/(s² + 13s + 92) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 46/(s² + 13s + 92)
%OS = %
12.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 4)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 25 %.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 25 %
K =

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: η = 88 %

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 = 120·10 = 1200 W
Pdev = 110·10 = 1100 W
Pout = 1100 − 44 = 1056 W

КПД

η = 1056/1200·100 = 88 %

Ответ

η = 88 %
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: D = 49,33 %

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.

Необходимое напряжение якоря

Va = 1,2·83,78 + 10·0,8 = 108,5 V

Коэффициент заполнения

D = 108,5/220 = 49,33 %

Ответ

D = 49,33 %
3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 1,131 kW

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.

Скорость ремня

v = 3,77 m/s

Мощность

P = (600 − 300)·3,77 = 1131 W = 1,131 kW

Ответ

P = 1,131 kW
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 207,4 rpm

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.

Первая ступень

nB = 1440·18/25 = 1037 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 1037·16/80 = 207,4 rpm

Ответ

nout = 207,4 rpm

общее передаточное отношение = 6,944 : 1

5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: M = 1440 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

⌈10/8⌉ = 2 B

Скорость в байтах

4·50000·2 = 400000 B/s

Память

M = 400000·3600 = 1,44 × 10⁹ B = 1440 MB

Ответ

M = 1440 MB
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: e = −0,7937 %

UART: асинхронный последовательный канал передаёт каждый байт кадром: один стартовый бит (низкий уровень), биты данных, необязательный бит чётности и один или два стоповых бита (высокий уровень). Скорость в бодах — это число бит в секунду, поэтому один бит длится Tb = 1/baud, а кадр из n бит длится n/baud. В распространённом формате 8N1 на байт приходится 10 бит. Генератор бодов делит тактовую частоту: baud = fclk/(16·D) с целым D, поэтому реальная скорость в бодах немного отличается от заданной; погрешность меньше примерно 2 % обычно допустима.

Делитель

D = 32·10⁶/(16·57600) = 34,72 → 35

Реальная скорость в бодах

32·10⁶/(16·35) = 57143 Bd

Погрешность

(57143 − 57600)/57600·100 = −0,7937 %

Ответ

e = −0,7937 %

Погрешность ниже примерно 2 % обычно допустима.

7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Rth = 288,9 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 = 100·800/900 = 88,89 Ω
R₃∥R₄ = 400·400/800 = 200 Ω

Сопротивление Тевенина

Rth = 288,9 Ω

Ответ

Rth = 288,9 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 400 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.

Относительное изменение сопротивления

ΔR/R = 0,8/1000 = 0,0008

Деформация

ε = 0,0008/2 = 0,0004 = 400 µε

Ответ

ε = 400 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 скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 1,6

Ошибка по линейному воздействию

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

Ответ

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

Ответ: ess = 0,25

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).

Коэффициент скоростной ошибки

s·C(s) = 5s + 10 → 10 при s → 0.

Kv = 10·4/5 = 8

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/8 = 0,25

Ответ

ess = 0,25

ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.

11.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 5,529 %

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 = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,592) = 0,6777

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,895 = 5,529 %

Ответ

%OS = 5,529 %
12.Переходная характеристика

Ответ: K = 24,54

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 + 4s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Коэффициент усиления

ωₙ = 4/(2ζ) = 4,954 rad/s
K = ωₙ² = 24,54

Ответ

K = 24,54

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems