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
+−110 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 25 AM+−EωT

Двигатель постоянного тока потребляет 25 A от источника 110 V. Сопротивление якоря равно 0,5 Ω, а потери на вращение (трение, сопротивление воздуха и потери в железе) составляют 98 W. Найдите его КПД η.

V = 110 VIa = 25 ARa = 0,5 ΩProt = 98 W
η = %
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−24 VRst​ = ?Ra​ = 0,2 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

Двигатель постоянного тока на 24 V имеет сопротивление якоря 0,2 Ω. Найдите последовательное пусковое сопротивление Rst, ограничивающее пусковой ток до 20 A.

V = 24 VRa = 0,2 ΩImax = 20 A
Rst = Ω
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 16, m = 2,5 mm

Двигатель мощностью 15 kW с частотой вращения 960 rpm приводит шестерню с 16 зубьями и модулем 2,5 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 15 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 2,5 mm
Ft = N
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 1000 mmθ = ?

Открытый ремень соединяет шкив 200 mm и шкив 315 mm, центры которых находятся на расстоянии 1000 mm. Найдите угол обхвата θ на меньшем шкиве в градусах.

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 1000 mm
θ = °
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = ?150 °C2ᴺ − 10≤ 0,05 °C

Датчик измеряет температура в диапазоне 150 °C, и его выход заполняет весь диапазон входа АЦП. Показание должно различать 0,05 °C. Найдите наименьшее число разрядов N, которое нужно АЦП.

диапазон = 150 °Cразрешение = 0,05 °C
N =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
f0fs​/2fs​1,1 kHz3f₁?

Прямоугольный сигнал 1,1 kHz дискретизируется с частотой 5 kHz без антиэлайзингового фильтра. Прямоугольный сигнал содержит нечётные гармоники 3f₁, 5f₁, 7f₁, … На какой частоте fa его гармоника 3f₁ появится в дискретизированных данных? Дайте ответ в Hz.

f₁ = 1,1 kHzfs = 5 kHzгармоника: 3f₁
fa = Hz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−2 V470 Ω470 Ω470 Ω470 Ωab+−

Тензорезистор 470 Ω — одно из плеч (R₂) моста с четырьмя равными плечами по 470 Ω и напряжением питания 2 V. Найдите мощность Pg, рассеиваемую в тензорезисторе, в mW. Самонагрев ограничивает напряжение питания.

Vs = 2 VR = 470 Ω
Pg = mW
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−2,5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Четвертьмост (один активный тензорезистор, GF = 2,05) питается напряжением 2,5 V. Наибольшая измеряемая деформация составляет 600 µε, и она должна давать 10 V на входе аналого-цифрового преобразователя. Найдите коэффициент усиления усилителя G.

Vs = 2,5 VGF = 2,05εmax = 600 µεVFS = 10 V
G =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 5 + 3t+2(s + 4)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 2(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 5 + 3t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+5 + Kd​s4s(s + 1)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 5 + Kd·s управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 1)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите дифференциальный коэффициент Kd, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,707.

G(s) = 4/(s(s + 1))Kp = 5ζ = 0,707
Kd = s
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 21/(s² + 2s + 7) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 21/(s² + 2s + 7)
tp = s
12.Переходная характеристикаСложная
k = 400 N/mc = 17 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 Nx(t)

Масса m = 0,5 kg подвешена на пружине k = 400 N/m с вязким демпфером c = 17 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.

m = 0,5 kgk = 400 N/mc = 17 N·s/mF = 25 N
%OS = %

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: η = 85,07 %

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 = 110·25 = 2750 W
Pdev = 97,5·25 = 2438 W
Pout = 2438 − 98 = 2340 W

КПД

η = 2340/2750·100 = 85,07 %

Ответ

η = 85,07 %
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: Rst = 1 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 = 24/20 = 1,2 Ω

Пусковой резистор

Rst = 1,2 − 0,2 = 1 Ω

Ответ

Rst = 1 Ω

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

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 7460 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 = 15000/100,5 = 149,2 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2,5·16 = 40 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·149,2/0,04 = 7460 N

Ответ

Ft = 7460 N
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: θ = 173,4 °

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(0,0575) = 3,296°

Угол обхвата

θ = 180 − 2·3,296 = 173,4°

Ответ

θ = 173,4°
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 12

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.

Необходимое число шагов

150/0,05 = 3000

Разряды

log₂(3000) = 11,55
211 = 2048 < 3000 ≤ 212 = 4096
N = 12

Ответ

N = 12
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fa = 1700 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 гармоники

3f₁ = 3·1,1 kHz = 3,3 kHz

Ближайшее кратное частоты дискретизации

m = round(0,66) = 1

Ложная частота

fa = |3300 − 1·5000| = 1700 Hz

Ответ

fa = 1700 Hz

Ложная частота попадает внутрь полосы сигнала, где её не удалит ни один цифровой фильтр. Помогает только аналоговый фильтр перед АЦП.

7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Pg = 2,128 mW

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 на тензорезисторе

V = 2/2 = 1 V

Мощность

Pg = 1²/470 = 2,128 mW

Ответ

Pg = 2,128 mW
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: G = 13008

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 = 0,7687 mV

Коэффициент усиления

G = 10/0,0007687 = 13008

Ответ

G = 13008
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1,875

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

Ступенчатая часть

Kp = ∞ → estep = 0

Ошибка по линейному воздействию

ess = 3/1,6 = 1,875

Ответ

ess = 1,875
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Kd = 1,331 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 + 1) + 4(5 + Kds) = s² + (1 + 4Kd)s + 20

Собственная частота

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Коэффициент усиления дифференциальной составляющей

1 + 4Kd = 2·0,707·4,472 = 6,324
Kd = 1,331 s

Ответ

Kd = 1,331 s

Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование, не меняя ωₙ.

11.Переходная характеристика

Ответ: tp = 1,283 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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2,646) = 0,378

Результат

ωd = 2,646·√(1 − 0,378²) = 2,449 rad/s → tp = π/ωd = 1,283 s

Ответ

tp = 1,283 s
12.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 9,418 %

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) = √(400/0,5) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(400·0,5)) = 0,601

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,418 %

Ответ

%OS = 9,418 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems