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)0,6 N·mn0​n = ?

Двигатель постоянного тока (k = 0,3 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) работает от 24 V и приводит нагрузку с моментом 0,6 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 24 Vk = 0,3 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 0,6 N·m
n = rpm
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−48 VRa​ = 0,2 ΩM+−En = ?T = 3,75 N·m

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (k = 0,25 V·s/rad при полном поле, Ra = 0,2 Ω, V = 48 V) приводит нагрузку с постоянным моментом 3,75 N·m. Поток возбуждения уменьшают до 90 % от полного значения. Найдите новую скорость n.

V = 48 Vk = 0,25 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 3,75 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1500 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 600 NP = ?

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

d1 = 150 mmn1 = 1500 rpmT1 = 1500 NT2 = 600 N
P = kW
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 32B = 48C = 20D = 48

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой 1440 rpm приводит колесо A (32 зубьев), которое зацепляется с колесом B (48 зубьев). Колесо C (20 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (48 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 98%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 1,1 kWnin = 1440 rpmA = 32B = 48C = 20D = 48ηmesh = 98%
Tout = N·m
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 122,5 V2ᴺ − 101 LSB0,666 V?

12-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 0,666 V.

N = 12VFSR = 2,5 VVin = 0,666 V
D =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
T1 mV/°C×2,5∿01N = 8, 5 V? °C/LSB

Датчик температуры выдаёт 1 mV/°C (0 V при 0 °C). Его сигнал усиливается в 2,5 раз и подаётся на 8-разрядный АЦП с диапазоном от 0 до 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Найдите изменение температуры ΔTLSB, соответствующее одному LSB.

S = 1 mV/°CG = 2,5N = 8VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−10 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

Мост имеет четыре плеча по 200 Ω и Vs = 10 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 50 Ω. Найдите точный выход Vab в mV.

Vs = 10 VR = 200 ΩΔR = 50 Ω
Vab = mV
8.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 10 V; конфигурация: два активных тензорезистора в соседних плечах, один на растяжение и один на сжатие (полумост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 750 µε. Найдите выход моста Vo в mV.

Vs = 10 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2t+50(s + 1)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5)) подано линейное воздействие r(t) = 2t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 81s(s + 2)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 8 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 2)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 1/(s(s + 2))K = 8
tp = s
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 86/(s² + 12s + 86) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 86/(s² + 12s + 86)
%OS = %
12.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 2)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 15 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 15 %
K =

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 668,5 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 = 0,6/0,3 = 2 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 24 − 2·1,5 = 21 V
ω = E/k = 70 rad/s → n = 668,5 rpm

Ответ

n = 668,5 rpm
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 1896 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 = 0,9·0,25 = 0,225 V·s/rad

Новый ток якоря

Ia = 3,75/0,225 = 16,67 A

Новая скорость

ω = (48 − 16,67·0,2)/0,225 = 198,5 rad/s → n = 1896 rpm

Ответ

n = 1896 rpm

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

3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 10,6 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 = 11,78 m/s

Мощность

P = (1500 − 600)·11,78 = 10603 W = 10,6 kW

Ответ

P = 10,6 kW
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 25,22 N·m

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.

Скорость на выходе

nout = 1440·(32/48)·(20/48) = 400 rpm
ωout = 2π·400/60 = 41,89 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 1100·0,98² = 1056 W
Tout = Pout/ωout = 1056/41,89 = 25,22 N·m

Ответ

Tout = 25,22 N·m
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: D = 1091

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 = 2,5/212 = 0,6104 mV

Код

Vin/LSB = 666/0,6104 = 1091
код = ⌊1091⌋ = 1091

Ответ

D = 1091

В двоичном виде это 010001000011.

6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: ΔTLSB = 7,813 °C

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 = 5000/256 = 19,53 mV

Чувствительность на входе АЦП

1·2,5 = 2,5 mV/°C

Температурное разрешение

ΔTLSB = 19,53/2,5 = 7,813 °C

Ответ

ΔTLSB = 7,813 °C

АЦП достигает полной шкалы при 2000 °C.

7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vab = 555,6 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 = 10·250/450 = 5,556 V
Vb = 5 V

Выделение

Vab = 555,6 mV

Ответ

Vab = 555,6 mV

Линейная оценка Vs·ΔR/(4R) = 625 mV завышена на 12,5 %: четвертьмост не совсем линеен.

8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vo = 7,5 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.

Относительное изменение сопротивления

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015

Выход моста

Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,0015/2 = 7,5 mV

Ответ

Vo = 7,5 mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,8

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) = 2,5

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/2,5 = 0,8

Ответ

ess = 0,8
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: tp = 1,187 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 + 2) + 8·1 = s² + 2s + 8

ωₙ и ζ

ωₙ = √8 = 2,828 rad/s
ζ = 2/(2·2,828) = 0,3536

Время пика

ωd = 2,828·√(1 − 0,3536²) = 2,646 rad/s
tp = π/2,646 = 1,187 s

Ответ

tp = 1,187 s
11.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 6,955 %

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 = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,274) = 0,647

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,666 = 6,955 %

Ответ

%OS = 6,955 %
12.Переходная характеристика

Ответ: K = 3,742

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Коэффициент усиления

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,934 rad/s
K = ωₙ² = 3,742

Ответ

K = 3,742

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems