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 = 1 V·s/rad работает от 240 V. Пренебрегая всеми потерями на холостом ходу, найдите его скорость холостого хода n0 в rpm.

V = 240 Vk = 1 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−110 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 20 → 40 AM+−En = ?T

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 110 V (Ra = 0,2 Ω) вращается со скоростью 1800 rpm при токе якоря 20 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 40 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n2.

V = 110 VRa = 0,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 20 AIa2 = 40 A
n2 = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm1500 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 200 mm с частотой 1500 rpm. Натяжение равно 600 N на ведущей ветви и 150 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 200 mmn1 = 1500 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 100 mm с частотой 1450 rpm со шкивом 315 mm; расстояние между центрами 500 mm. Коэффициент трения равен 0,25, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1200 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 1200 N
P = kW
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 83,3 V2ᴺ − 101 LSB2,808 V?

8-разрядный АЦП с диапазоном входа от 0 до 3,3 V отбрасывает остаток: его выходной код равен ⌊Vin/LSB⌋ при 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Найдите десятичный выходной код D для входного напряжения 2,808 V.

N = 8VFSR = 3,3 VVin = 2,808 V
D =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
122 ch∿01tc​ = 8 µstset​ = 5 µsfs​ = ?

2-канальный мультиплексор подаёт сигналы на один АЦП. Каждое преобразование занимает 8 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 = 2tc = 8 µstset = 5 µs
fs = kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−12 VR1​ = 120 ΩR2​ = 200 ΩR3​ = 250 ΩR4​ = 800 ΩabGRg​ = 20 Ω

Гальванометр с сопротивлением 20 Ω включён между a и b показанного моста (Vs = 12 V). Найдите ток гальванометра Ig от a к b в µA.

Vs = 12 VR1 = 120 ΩR2 = 200 ΩR3 = 250 ΩR4 = 800 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Датчик силы (полный мост из тензорезисторов) имеет номинальный выход 1,5 mV/V при номинальной нагрузке 100 kg. Напряжение питания — 10 V. Найдите его выход Vo при нагрузке 60 kg.

1,5 mV/VFrated = 100 kgVs = 10 VF = 60 kg
Vo = mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 5·t²/2+2(s + 5)s²(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 5))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

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

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 1
Ki =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 97/(s² + 9s + 97) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 97/(s² + 9s + 97)
tp = s
12.Переходная характеристикаСложная
+−12 VR = 326 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 326 Ω, L = 500 mH и C = 4,7 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.

R = 326 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFV = 12 V
vC,max = V

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n0 = 2292 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 = 240/1 = 240 rad/s
n0 = 60·240/(2π) = 2292 rpm

Ответ

n0 = 2292 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n2 = 1732 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.

Противо-ЭДС до и после

E1 = 110 − 20·0,2 = 106 V
E2 = 110 − 40·0,2 = 102 V

Новая скорость

n2 = 1800·102/106 = 1732 rpm

Ответ

n2 = 1732 rpm
3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 7,069 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 = 15,71 m/s

Мощность

P = (600 − 150)·15,71 = 7069 W = 7,069 kW

Ответ

P = 7,069 kW
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 4,481 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.

Угол обхвата

θ = 2,708 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,6771 = 1,968, T₂ = 1200/1,968 = 609,7 N

Мощность

P = (1200 − 609,7)·7,592 = 4,481 kW

Ответ

P = 4,481 kW
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: D = 217

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.

Шаг квантования

1 LSB = 3,3/28 = 12,89 mV

Код

Vin/LSB = 2808/12,89 = 217,8
код = ⌊217,8⌋ = 217

Ответ

D = 217

В двоичном виде это 11011001.

6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fs = 38,46 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

8 + 5 = 13 µs

Время на опрос

2·13 = 26 µs

Частота дискретизации на канал

fs = 1/26 µs = 38,46 kHz

Ответ

fs = 38,46 kHz
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Ig = −5755 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 = 12·(200/320 − 800/1050) = −1,643 V

Сопротивление Тевенина

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 265,5 Ω

Ток гальванометра

Ig = −1,643/(265,5 + 20) = −5755 µA

Ответ

Ig = −5755 µA
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vo = 9 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.

Выход при полной шкале

1,5·10 = 15 mV

Выход при этой нагрузке

Vo = 15·60/100 = 9 mV

Ответ

Vo = 9 mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 2,5

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 = 2·5/5 = 2

Ошибка по параболическому воздействию

ess = 5/2 = 2,5

Ответ

ess = 2,5
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 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).

Характеристический полином

1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 2).

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

Целевой полином

s² + 2·1·5s + 5² = s² + 10s + 25

Приравняйте коэффициенты

1Ki = 25 → Ki = 25

Ответ

Ki = 25

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

11.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,3586 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 = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,849) = 0,4569

Результат

ωd = 9,849·√(1 − 0,4569²) = 8,761 rad/s → tp = π/ωd = 0,3586 s

Ответ

tp = 0,3586 s
12.Переходная характеристика

Ответ: vC,max = 13,96 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/√(0,5·4,7 × 10⁻⁶) = 652,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (326/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,5) = 0,4997

Результат

%OS = 16,32 %
vC,max = 12·(1 + 0,1632) = 13,96 V

Ответ

vC,max = 13,96 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems