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
T (N·m)n (rpm)0,9 N·mn0​n = ?

Двигатель постоянного тока (k = 0,15 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) работает от 48 V и приводит нагрузку с моментом 0,9 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 48 Vk = 0,15 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 0,9 N·m
n = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−110 VRst​ = ?Ra​ = 0,2 Ω40 AM+−E = 0n = 0T

Двигатель постоянного тока на 110 V имеет сопротивление якоря 0,2 Ω. Найдите последовательное пусковое сопротивление Rst, ограничивающее пусковой ток до 40 A.

V = 110 VRa = 0,2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 18N2​ = 48

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с числом зубьев 18, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 48. Потерями пренебречь. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 1,1 kWn1 = 1440 rpmN1 = 18N2 = 48η = 100%
T2 = N·m
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 16B = 20C = 25D = 72

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (16 зуб.) на входном валу вращается с частотой 2900 rpm и приводит колесо B (20 зуб.). Колесо C (25 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (72 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 2900 rpmA = 16B = 20C = 25D = 72
nout = rpm
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 6VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Найдите идеальное отношение сигнал/шум квантования SQNR 6-разрядного АЦП для синусоиды на полной шкале.

N = 6
SQNR = dB
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудиоизмерения нужно идеальное отношение сигнал/шум квантования не менее 90 dB для синусоиды на полной шкале. Найдите наименьшее число разрядов АЦП N.

SQNR ≥ 90 dB
N =
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−5 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−60,98 mV

Мост с четырьмя плечами по 220 Ω питается напряжением 5 V. Когда датчик R₂ изменяется, выход показывает Vab = 60,98 mV. Найдите точное изменение ΔR сопротивления R₂.

Vs = 5 VR = 220 ΩVab = 60,98 mV
ΔR = Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−3,18 mV

Тензорезистор (GF = 2,12) на элементе с E = 110 GPa образует четвертьмост с напряжением питания 10 V. Выход показывает 3,18 mV. Найдите осевое напряжение σ в MPa.

Vs = 10 VGF = 2,12Vo = 3,18 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 4·t²/2+20(s + 1)s²(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 5)) подан параболический вход r(t) = 4·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 5))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 2C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 2/(s + 2) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 6 rad/s и ζ = 0,8. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 2/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,8
Ki =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 8/(s² + 4s + 8) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

G(s) = 8/(s² + 4s + 8)
ζ =
12.Переходная характеристикаСложная
+−10 VR = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 46 Ω, L = 100 mH и C = 47 µF подключается к ступеньке 10 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.

R = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 10 V
vC,max = V

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 2903 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.

Ток якоря

Ia = T/k = 0,9/0,15 = 6 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 48 − 6·0,4 = 45,6 V
ω = E/k = 304 rad/s → n = 2903 rpm

Ответ

n = 2903 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: Rst = 2,55 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 = 110/40 = 2,75 Ω

Пусковой резистор

Rst = 2,75 − 0,2 = 2,55 Ω

Ответ

Rst = 2,55 Ω

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

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 19,45 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 = 1100/150,8 = 7,295 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 7,295·48/18·1 = 19,45 N·m

Ответ

T2 = 19,45 N·m
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 805,6 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 = 2900·16/20 = 2320 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 2320·25/72 = 805,6 rpm

Ответ

nout = 805,6 rpm

общее передаточное отношение = 3,6 : 1

5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: SQNR = 37,88 dB

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.

Идеальное SQNR

SQNR = 6,02·6 + 1,76 = 37,88 dB

Ответ

SQNR = 37,88 dB
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 15

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 ≥ (90 − 1,76)/6,02 = 14,66

Округлите вверх

N = 15
проверка: 6,02·15 + 1,76 = 92,06 dB ≥ 90 dB

Ответ

N = 15
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ΔR = 11 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.

Напряжение узла

Va = 2,5 + 0,06098 = 2,561 V

Решите делитель

R₂ = 220·2,561/(5 − 2,561) = 231 Ω
ΔR = 231 − 220 = 11 Ω

Ответ

ΔR = 11 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: σ = 66 MPa

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.

Деформация

ε = 4·0,00318/(10·2,12) = 0,0006

Напряжение

σ = 110·10³ MPa·0,0006 = 66 MPa

Ответ

σ = 66 MPa
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1

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 = 20·1/5 = 4

Ошибка по параболическому воздействию

ess = 4/4 = 1

Ответ

ess = 1
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 18

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 + 2).

s² + (2 + 2Kp)s + 2Ki

Целевой полином

s² + 2·0,8·6s + 6² = s² + 9,6s + 36

Приравняйте коэффициенты

2Ki = 36 → Ki = 18

Ответ

Ki = 18

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

11.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,7071

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 = 8 → ωₙ = 2,828 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,828) = 0,7071

Результат

ζ = 0,7071

Ответ

ζ = 0,7071
12.Переходная характеристика

Ответ: vC,max = 11,64 V

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (46/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,4986

Результат

%OS = 16,41 %
vC,max = 10·(1 + 0,1641) = 11,64 V

Ответ

vC,max = 11,64 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems