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 = 0,75 V·s/rad работает от 220 V. Пренебрегая всеми потерями на холостом ходу, найдите его скорость холостого хода n0 в rpm.

V = 220 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−240 VRa​ = 0,25 ΩM+−En = ?T = 36 N·m

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (k = 1,2 V·s/rad при полном поле, Ra = 0,25 Ω, V = 240 V) приводит нагрузку с постоянным моментом 36 N·m. Поток возбуждения уменьшают до 80 % от полного значения. Найдите новую скорость n.

V = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 36 N·mΦ = 80 %
n = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
N1​ = 20N2​ = 40

Двигатель мощностью 0,75 kW с частотой вращения 2900 rpm приводит шестерню с числом зубьев 20, которая находится в зацеплении с колесом с числом зубьев 40. КПД зубчатой пары — 98 %. Найдите выходной крутящий момент T2 на валу колеса.

P = 0,75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 40η = 98%
T2 = N·m
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 1000 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Открытый ремень соединяет ведущий шкив 80 mm с частотой 1500 rpm со шкивом 450 mm; расстояние между центрами 1000 mm. Коэффициент трения равен 0,3, а натяжение ведущей ветви не должно превышать 1000 N. Найдите наибольшую мощность P, которую ремень может передать без проскальзывания, в kW (центробежными эффектами пренебрегите).

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 450 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 1000 N
P = kW
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 102,5 V2ᴺ − 101 LSB0,589 V?

10-разрядный АЦП с диапазоном входа от 0 до 2,5 V отбрасывает остаток: его выходной код равен ⌊Vin/LSB⌋ при 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Найдите десятичный выходной код D для входного напряжения 0,589 V.

N = 10VFSR = 2,5 VVin = 0,589 V
D =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
f0fs​/2fs​1,76 kHz5f₁?

Прямоугольный сигнал 1,76 kHz дискретизируется с частотой 8 kHz без антиэлайзингового фильтра. Прямоугольный сигнал содержит нечётные гармоники 3f₁, 5f₁, 7f₁, … На какой частоте fa его гармоника 5f₁ появится в дискретизированных данных? Дайте ответ в Hz.

f₁ = 1,76 kHzfs = 8 kHzгармоника: 5f₁
fa = Hz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−10 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−24,88 mV

Мост с четырьмя плечами по 250 Ω питается напряжением 10 V. Когда датчик R₂ изменяется, выход показывает Vab = 24,88 mV. Найдите точное изменение ΔR сопротивления R₂.

Vs = 10 VR = 250 ΩVab = 24,88 mV
ΔR = Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−

Тензорезистор 120 Ω с коэффициентом тензочувствительности 2 приклеен к стальному стержню. Под нагрузкой его сопротивление возрастает на 0,12 Ω. Найдите деформацию ε в микродеформациях (µε).

R = 120 ΩGF = 2ΔR = 0,12 Ω
ε = µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 4·t²/2+4(s + 3)s²(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 5)) подан параболический вход r(t) = 4·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 5))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K4s(s + 10)C(s)−

Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите коэффициент усиления K, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,4.

G(s) = 4/(s(s + 10))ζ = 0,4
K =
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 35/(s² + 4s + 70) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 35/(s² + 4s + 70)
tp = s
12.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s8 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей показывает перерегулирование 8 %, а первый пик наступает при t = 0,8 s. Найдите собственную частоту ωn.

%OS = 8 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n0 = 2801 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 = 220/0,75 = 293,3 rad/s
n0 = 60·293,3/(2π) = 2801 rpm

Ответ

n0 = 2801 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 2294 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.

Ослабленная постоянная двигателя

k₂ = 0,8·1,2 = 0,96 V·s/rad

Новый ток якоря

Ia = 36/0,96 = 37,5 A

Новая скорость

ω = (240 − 37,5·0,25)/0,96 = 240,2 rad/s → n = 2294 rpm

Ответ

n = 2294 rpm

Ослабление поля — способ, которым привод постоянного тока работает выше основной скорости.

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: T2 = 4,841 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/303,7 = 2,47 N·m

Выходной крутящий момент

T2 = 2,47·40/20·0,98 = 4,841 N·m

Ответ

T2 = 4,841 N·m
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 3,546 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 = 2,769 rad

Натяжение ведомой ветви

eμθ = e0,8308 = 2,295, T₂ = 1000/2,295 = 435,7 N

Мощность

P = (1000 − 435,7)·6,283 = 3,546 kW

Ответ

P = 3,546 kW
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: D = 241

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 = 2,5/210 = 2,441 mV

Код

Vin/LSB = 589/2,441 = 241,3
код = ⌊241,3⌋ = 241

Ответ

D = 241

В двоичном виде это 0011110001.

6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fa = 800 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

5f₁ = 5·1,76 kHz = 8,8 kHz

Ближайшее кратное частоты дискретизации

m = round(1,1) = 1

Ложная частота

fa = |8800 − 1·8000| = 800 Hz

Ответ

fa = 800 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: ΔR = 2,5 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 = 5 + 0,02488 = 5,025 V

Решите делитель

R₂ = 250·5,025/(10 − 5,025) = 252,5 Ω
ΔR = 252,5 − 250 = 2,5 Ω

Ответ

ΔR = 2,5 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: ε = 500 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 = 0,12/120 = 0,001

Деформация

ε = 0,001/2 = 0,0005 = 500 µε

Ответ

ε = 500 µε
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1,667

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 = 4·3/5 = 2,4

Ошибка по параболическому воздействию

ess = 4/2,4 = 1,667

Ответ

ess = 1,667
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 39,06

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 + 10) + 4K = s² + 10s + 4K

Собственная частота

2·0,4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12,5 rad/s

Коэффициент усиления

4K = ωₙ² = 156,2 → K = 39,06

Ответ

K = 39,06
11.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,3867 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 = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,367) = 0,239

Результат

ωd = 8,367·√(1 − 0,239²) = 8,124 rad/s → tp = π/ωd = 0,3867 s

Ответ

tp = 0,3867 s
12.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 5,039 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(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

Собственная частота

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,7794 = 5,039 rad/s

Ответ

ωn = 5,039 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems