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
+−VRa​M+−En = 2000 rpmT = ?

Двигатель постоянного тока отдаёт механическую мощность 3 kW при 2000 rpm. Найдите момент на валу T.

P = 3 kWn = 2000 rpm
T = N·m
2.Двигатели постоянного токаСложная
+−240 VRa​ = 0,8 ΩIa​: 12 → 24 AM+−En = ?T

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 240 V (Ra = 0,8 Ω) вращается со скоростью 1200 rpm при токе якоря 12 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 24 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n2.

V = 240 VRa = 0,8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 12 AIa2 = 24 A
n2 = rpm
3.Зубчатые колёса и передачиСредняя
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm960 rpmT1​ = 800 NT2​ = 400 NP = ?

Ремень идёт по ведущему шкиву 120 mm с частотой 960 rpm. Натяжение равно 800 N на ведущей ветви и 400 N на ведомой. Найдите передаваемую мощность P в kW.

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 800 NT2 = 400 N
P = kW
4.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 12B = 20C = 48D = 72

Двигатель мощностью 1,1 kW с частотой 960 rpm приводит колесо A (12 зубьев), которое зацепляется с колесом B (20 зубьев). Колесо C (48 зубьев) на одном валу с B приводит колесо D (72 зубьев) на выходном валу. КПД каждого зацепления 97%. Найдите выходной вращающий момент Tout.

P = 1,1 kWnin = 960 rpmA = 12B = 20C = 48D = 72ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = ?3,3 V2ᴺ − 10≤ 5 mV

АЦП с диапазоном входа от 0 до 3,3 V должен различать шаги 5 mV или меньше. Найдите наименьшее число разрядов N.

VFSR = 3,3 Vразрешение = 5 mV
N =
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​230400 Bd, 8E1

12-разрядный АЦП передаёт каждый отсчёт по UART на скорости 230400 бод в формате 8E1 (стартовый бит, 8 битов данных, бит чётности, 1 стоповый бит). Каждый отсчёт передаётся 2 целыми байтами, и канал занят всё время. Найдите наивысшую частоту сигнала fmax, которую можно дискретизировать без наложения спектров, в Hz.

baud = 230400 BdN = 128E1
fmax = Hz
7.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
+−10 VR1​ = 40 ΩR2​ = 40 ΩR3​ = 150 ΩR4​ = 60 Ωab+−Rth​ = ?

Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.

Vs = 10 VR1 = 40 ΩR2 = 40 ΩR3 = 150 ΩR4 = 60 Ω
Rth = Ω
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 3 mV/V при номинальной нагрузке 200 kg. Напряжение питания — 10 V. Найдите его выход Vo при нагрузке 120 kg.

3 mV/VFrated = 200 kgVs = 10 VF = 120 kg
Vo = mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 5 + 4t+20(s + 3)s(s + 5)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 5)) подан вход r(t) = 5 + 4t (ступенька плюс линейное воздействие). Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 5))r(t) = 5 + 4t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 165s(s + 10)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 16 управляет объектом G(s) = 5/(s(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 16
ts = s
11.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 144/(s² + 5s + 48) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 144/(s² + 5s + 48)
%OS = %
12.Переходная характеристикаСложная
+−24 VR = 38 ΩL = 100 mHC = 100 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 38 Ω, L = 100 mH и C = 100 µF подключается к ступеньке 24 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите перерегулирование %OS напряжения на конденсаторе в процентах.

R = 38 ΩL = 100 mHC = 100 µFV = 24 V
%OS = %

3Растворы

1.Двигатели постоянного тока

Ответ: T = 14,32 N·m

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 в rad/s

ω = 2π·2000/60 = 209,4 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 3000/209,4 = 14,32 N·m

Ответ

T = 14,32 N·m
2.Двигатели постоянного тока

Ответ: n2 = 1150 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 = 240 − 12·0,8 = 230,4 V
E2 = 240 − 24·0,8 = 220,8 V

Новая скорость

n2 = 1200·220,8/230,4 = 1150 rpm

Ответ

n2 = 1150 rpm
3.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: P = 2,413 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 = 6,032 m/s

Мощность

P = (800 − 400)·6,032 = 2413 W = 2,413 kW

Ответ

P = 2,413 kW
4.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: Tout = 25,74 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 = 960·(12/20)·(48/72) = 384 rpm
ωout = 2π·384/60 = 40,21 rad/s

Выходная мощность и момент

Pout = 1100·0,97² = 1035 W
Tout = Pout/ωout = 1035/40,21 = 25,74 N·m

Ответ

Tout = 25,74 N·m
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: N = 10

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

3300 mV/5 mV = 660

Разряды

log₂(660) = 9,366
29 = 512 < 660 ≤ 210 = 1024
N = 10

Ответ

N = 10
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fmax = 5236 Hz

UART: асинхронный последовательный канал передаёт каждый байт кадром: один стартовый бит (низкий уровень), биты данных, необязательный бит чётности и один или два стоповых бита (высокий уровень). Скорость в бодах — это число бит в секунду, поэтому один бит длится Tb = 1/baud, а кадр из n бит длится n/baud. В распространённом формате 8N1 на байт приходится 10 бит. Генератор бодов делит тактовую частоту: baud = fclk/(16·D) с целым D, поэтому реальная скорость в бодах немного отличается от заданной; погрешность меньше примерно 2 % обычно допустима.

Бит на отсчёт на линии

2·11 = 22 bit

Наивысшая частота дискретизации

fs,max = 230400/22 = 10473 Hz

Предел Найквиста

fmax = 10473/2 = 5236 Hz

Ответ

fmax = 5236 Hz
7.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Rth = 62,86 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.

Источник замкнут накоротко

R₁∥R₂ = 40·40/80 = 20 Ω
R₃∥R₄ = 150·60/210 = 42,86 Ω

Сопротивление Тевенина

Rth = 62,86 Ω

Ответ

Rth = 62,86 Ω
8.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: Vo = 18 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

3·10 = 30 mV

Выход при этой нагрузке

Vo = 30·120/200 = 18 mV

Ответ

Vo = 18 mV
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,3333

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) = 12

Ступенчатая часть

Kp = ∞ → estep = 0

Ошибка по линейному воздействию

ess = 4/12 = 0,3333

Ответ

ess = 0,3333
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 0,8 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 + 10) + 16·5 = s² + 10s + 80

ωₙ и ζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 10/(2·8,944) = 0,559

Время установления

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Ответ

ts = 0,8 s

Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.

11.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 29,66 %

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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,928) = 0,3608

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,216 = 29,66 %

Ответ

%OS = 29,66 %
12.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 9,43 %

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/√(0,1·1 × 10⁻⁴) = 316,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (38/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,1) = 0,6008

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,43 %

Ответ

%OS = 9,43 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems