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)n0​ = ?

Двигатель постоянного тока с k = 0,12 V·s/rad работает от 24 V. Пренебрегая всеми потерями на холостом ходу, найдите его скорость холостого хода n0 в rpm.

V = 24 Vk = 0,12 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
T (N·m)n (rpm)2 N·m900 rpm

Двигатель постоянного тока с k = 0,2 V·s/rad и Ra = 0,5 Ω должен приводить нагрузку 2 N·m со скоростью 900 rpm. Найдите необходимое напряжение якоря V.

k = 0,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 2 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 24, m = 2 mm

Двигатель мощностью 3 kW с частотой вращения 1440 rpm приводит шестерню с 24 зубьями и модулем 2 mm. Найдите окружную силу Ft на зубьях шестерни.

P = 3 kWn = 1440 rpmN1 = 24m = 2 mm
Ft = N
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 20B = 45C = 12D = ?

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (20 зубьев) на входном валу вращается с частотой 1500 rpm и приводит колесо B (45 зубьев). Колесо C (12 зубьев) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D на выходном валу. Выходной вал должен вращаться с частотой 500 rpm. Сколько зубьев ND должно иметь колесо D?

nin = 1500 rpmA = 20B = 45C = 12nout = 500 rpm
ND =
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = ?2,5 V2ᴺ − 10≤ 5 mV

АЦП с диапазоном входа от 0 до 2,5 V должен различать шаги 5 mV или меньше. Найдите наименьшее число разрядов N.

VFSR = 2,5 Vразрешение = 5 mV
N =
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
+−5 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

Мост имеет четыре плеча по 220 Ω и Vs = 5 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 33 Ω. Найдите точный выход Vab в mV.

Vs = 5 VR = 220 ΩΔR = 33 Ω
Vab = mV
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−0,313 mV

Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2) питается напряжением 2,5 V. Под нагрузкой выход показывает 0,313 mV. Найдите деформацию ε в µε.

Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 0,313 mV
ε = µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2t+20(s + 3)s(s + 4)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 4)) подано линейное воздействие r(t) = 2t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 4))r(t) = 2t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 5/(s + 1) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 10 rad/s и ζ = 0,5. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 52/(s² + 4s + 52) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 52/(s² + 4s + 52)
tp = s
12.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s12 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей показывает перерегулирование 12 %, а первый пик наступает при t = 0,25 s. Найдите собственную частоту ωn.

%OS = 12 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n0 = 1910 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.

Скорость холостого хода

ω₀ = V/k = 24/0,12 = 200 rad/s
n0 = 60·200/(2π) = 1910 rpm

Ответ

n0 = 1910 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: V = 23,85 V

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.

Противо-ЭДС

E = 0,2·94,25 = 18,85 V

Ток якоря

Ia = 2/0,2 = 10 A

Напряжение якоря

V = 18,85 + 10·0,5 = 23,85 V

Ответ

V = 23,85 V
3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Ft = 828,9 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 3000/150,8 = 19,89 N·m

Делительный диаметр

d = m·N = 2·24 = 48 mm

Окружная сила

Ft = 2T/d = 2·19,89/0,048 = 828,9 N

Ответ

Ft = 828,9 N
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: ND = 16

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Частота вращения промежуточного вала

nB = nC = 1500·20/45 = 666,7 rpm

Число зубьев колеса D

ND = C·nC/nout = 12·666,7/500 = 16

Ответ

ND = 16
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 9

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

2500 mV/5 mV = 500

Разряды

log₂(500) = 8,966
28 = 256 < 500 ≤ 29 = 512
N = 9

Ответ

N = 9
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 = 174,4 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 = 5·253/473 = 2,674 V
Vb = 2,5 V

Выделение

Vab = 174,4 mV

Ответ

Vab = 174,4 mV

Линейная оценка Vs·ΔR/(4R) = 187,5 mV завышена на 7,5 %: четвертьмост не совсем линеен.

8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 250,4 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.

Решите уравнение четвертьмоста

ε = 4·0,000313/(2,5·2) = 0,0002504

В микродеформациях

ε = 250,4 µε

Ответ

ε = 250,4 µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,1333

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) = 15

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/15 = 0,1333

Ответ

ess = 0,1333
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 20

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 + 5Kp)s + 5Ki

Целевой полином

s² + 2·0,5·10s + 10² = s² + 10s + 100

Приравняйте коэффициенты

5Ki = 100 → Ki = 20

Ответ

Ki = 20

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

11.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,4534 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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,211) = 0,2774

Результат

ωd = 7,211·√(1 − 0,2774²) = 6,928 rad/s → tp = π/ωd = 0,4534 s

Ответ

tp = 0,4534 s
12.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 15,16 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(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Собственная частота

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,8289 = 15,16 rad/s

Ответ

ωn = 15,16 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems