Мехатронні системи: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 12 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Двигуни постійного струму

Коло якоря
V = E + IaRa
Зворотна ЕРС і момент
E = k·ω, T = k·Ia
Швидкість
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Швидкість неробочого ходу й стопорний момент
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Потужності
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулювання швидкості
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальна розвинена потужність
Pmax = V²/(4Ra)
Привід із чопером
Va = D·Vdc

Метод

  1. Накресліть коло якоря: джерело V, опір Ra і зворотна ЕРС E послідовно.
  2. Скористайтеся V = E + Ia·Ra, щоб зв’язати напругу, струм і зворотну ЕРС.
  3. Використовуйте E = k·ω для швидкості й T = k·Ia для моменту, де ω = 2π·n/60.
  4. Для потужності та ККД почніть із V·Ia, відніміть втрати в міді Ia²·Ra, а потім втрати на обертання.

Зубчасті колеса й передачі

Зачеплення коліс
n1·N1 = n2·N2
Крутний момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Потужність
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Багатоступенева передача
загальне передаточне відношення = добуток передаточних відношень ступенів

Збір даних і дискретизація

Критерій Найквіста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Частота аліасу
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Розмір кроку
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Похибка квантування (округлення)
±½ LSB
Код АЦП з відсіканням
D = ⌊Vin/LSB⌋
Кількість розрядів для роздільності r
2ᴺ ≥ span/r
Ідеальне SQNR, синус на повну шкалу
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Швидкість передавання даних
канали × fs × N біт/с
АЦП з мультиплексуванням
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/бод; 8N1 = 10 біт на байт; байт/с = бод/біт у кадрі
Дільник швидкості передавання (бод)
baud = fclk/(16·D)

Метод

  1. Випишіть, що дано: частоту дискретизації, частоти сигналу, кількість розрядів, вхідний діапазон, швидкість у бодах.
  2. У задачах на дискретизацію порівнюйте кожну частоту з fs/2; вища частота виглядає як fa = |f − k·fs| з найближчим кратним fs.
  3. У задачах на роздільність знайдіть 1 LSB = VFSR/2ᴺ або найменше N, для якого 2ᴺ ≥ діапазон/роздільність.
  4. У задачах на швидкість даних і лінії UART враховуйте все, що передається: канали, відліки за секунду, біти чи цілі байти на відлік, а також стартові, паритетні й стопові біти кожного кадру.

Міст Вітстона й тензорезистори

Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε

Метод

  1. Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
  2. Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
  3. Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
  4. Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Двигуни постійного струмуСередня
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Двигун постійного струму з k = 0,75 V·s/rad працює від 48 V. Нехтуючи всіма втратами на холостому ході, знайдіть його швидкість неробочого ходу n0 у rpm.

V = 48 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−48 VRa​ = 2 ΩM+−EωT

Малий двигун постійного струму має опір якоря 2 Ω і працює від 48 V. Нехтуючи втратами на обертання, знайдіть найбільшу механічну потужність Pmax, яку він може розвинути на будь-якій швидкості.

V = 48 VRa = 2 Ω
Pmax = W
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 16, m = 3 mm

Двигун потужністю 22 kW із частотою обертання 960 rpm приводить шестірню з 16 зубцями й модулем 3 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.

P = 22 kWn = 960 rpmN1 = 16m = 3 mm
Ft = N
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
A = 20B = 48C = 32D = 45

У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (20 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1500 rpm і приводить колесо B (48 зуб.). Колесо C (32 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (45 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.

nin = 1500 rpmA = 20B = 48C = 32D = 45
nout = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
tTs​ = 1/fs​f = 1,2 kHzfs​ = 1 kHz

Синусоїда 1,2 kHz дискретизується з частотою 1 kHz без антиаліасингового фільтра. На якій частоті fa вона з’являється у відліках? Подайте в Hz.

f = 1,2 kHzfs = 1 kHz
fa = Hz
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
1216⋮16 ch∿01tc​ = 1 µstset​ = 2 µsfs​ = ?

16-канальний мультиплексор живить один АЦП. Кожне перетворення триває 1 мкс, а після кожного перемикання каналу входу потрібно 2 мкс, щоб встановитися. Канали сканують по черзі без пауз. Знайдіть частоту дискретизації fs кожного каналу в кГц.

n = 16tc = 1 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−15 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

Міст має чотири плеча по 200 Ω і Vs = 15 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 0,4 Ω. У наближенні малих змін знайдіть вихід Vab у mV.

Vs = 15 VR = 200 ΩΔR = 0,4 Ω
Vab = mV
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Чвертьміст (один активний тензорезистор, GF = 2,05) живиться від 2,5 V. Найбільшу вимірювану деформацію 250 µε треба перетворити на 3,3 V на вході аналого-цифрового перетворювача. Знайдіть коефіцієнт підсилення підсилювача G.

Vs = 2,5 VGF = 2,05εmax = 250 µεVFS = 3,3 V
G =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 5)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t з усталеною похибкою 0,02. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,02
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 202s(s + 4)C(s)−

П-регулятор K = 20 керує об’єктом G(s) = 2/(s(s + 4)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 2/(s(s + 4))K = 20
tp = s
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1tp​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 99/(s² + 3s + 99) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 99/(s² + 3s + 99)
tp = s
12.Перехідна характеристикаСкладна
+−5 VR = 268 ΩL = 200 mHC = 1 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 268 Ω, L = 200 mH і C = 1 µF підключають до сходинки 5 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS напруги на конденсаторі.

R = 268 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 5 V
%OS = %

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: n0 = 611,2 rpm

Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.

Швидкість неробочого ходу

ω₀ = V/k = 48/0,75 = 64 rad/s
n0 = 60·64/(2π) = 611,2 rpm

Відповідь

n0 = 611,2 rpm
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: Pmax = 288 W

Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.

Потужність як функція зворотної ЕРС

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Максимальна потужність

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·2) = 288 W

Відповідь

Pmax = 288 W

У цій точці ККД становить лише 50 %, тож реальні двигуни працюють значно вище половини швидкості.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Ft = 9118 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.

Обертовий момент на шестірні

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 22000/100,5 = 218,8 N·m

Ділильний діаметр

d = m·N = 3·16 = 48 mm

Колова сила

Ft = 2T/d = 2·218,8/0,048 = 9118 N

Відповідь

Ft = 9118 N
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nout = 444,4 rpm

Зубчасті передачі: у колесах, що зачеплені, швидкість у точці контакту зубців однакова, тож n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо з меншою кількістю зубців обертається швидше. Колеса на одному валу обертаються з однаковою частотою. Потужність передається далі (за вирахуванням втрат), тож зі зменшенням частоти обертання крутний момент зростає: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, де ω = 2π·n/60.

Перший ступінь

nB = 1500·20/48 = 625 rpm = nC

Другий ступінь

nout = 625·32/45 = 444,4 rpm

Відповідь

nout = 444,4 rpm

загальне передаточне відношення = 3,375 : 1

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 200 Hz

Дискретизація: АЦП вимірює сигнал fs разів за секунду. За теоремою Найквіста–Шеннона частота f фіксується правильно лише доти, доки f < fs/2, частота Найквіста (згортання), тож частота дискретизації має перевищувати подвоєну найвищу частоту сигналу. Вища частота не втрачається: вона з’являється як аліас на fa = |f − k·fs|, де ціле k дає результат між 0 і fs/2. Відліки не розрізняють їх, тому аналоговий антиаліасинговий фільтр має прибрати все, що вище fs/2, перед АЦП.

Частота Найквіста

fs/2 = 500 Hz < f = 1,2 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

k = round(1200/1000) = 1

Частота аліасу

fa = |1200 − 1·1000| = 200 Hz

Відповідь

fa = 200 Hz

Штрихова крива на рисунку — це аліас: вона проходить через ті самі відліки.

6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fs = 20,83 kHz

Швидкості даних: кожен канал дає fs відліків за секунду по N біт, тож сира швидкість дорівнює канали × fs × N біт/с. У пам’яті відлік займає цілі байти (12-бітний відлік зберігається в 2 байтах), тож пам’ять для запису дорівнює канали × fs × байти на відлік × час. АЦП з мультиплексуванням перетворює канали один за одним: кожне перетворення (із часом встановлення) триває t, тож один цикл із n каналів триває n·t, а кожен канал дискретизується з частотою 1/(n·t).

Час на канал

1 + 2 = 3 µs

Час на сканування

16·3 = 48 µs

Частота дискретизації на канал

fs = 1/48 µs = 20,83 kHz

Відповідь

fs = 20,83 kHz
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vab = 7,5 mV

Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Відносна зміна

ΔR/R = 0,4/200 = 0,002

Лінеаризований вихід

Vab ≈ 15·0,002/4 = 7,5 mV

Відповідь

Vab = 7,5 mV

Точне значення становить 7,493 mV; наближення добре, поки ΔR/R мале.

8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: G = 10302

Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.

Вихід мосту на повній шкалі

Vo = 0,3203 mV

Коефіцієнт підсилення

G = 3,3/0,0003203 = 10302

Відповідь

G = 10302
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 250

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Потрібна швидкісна константа

Kv = A/ess = 1/0,02 = 50

Коефіцієнт підсилення

K = 5·Kv = 250

Відповідь

K = 250

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,1581. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: tp = 0,5236 s

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристичний поліном

s(s + 4) + 20·2 = s² + 4s + 40

ωₙ і ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 4/(2·6,325) = 0,3162

Час піка

ωd = 6,325·√(1 − 0,3162²) = 6 rad/s
tp = π/6 = 0,5236 s

Відповідь

tp = 0,5236 s
11.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,3194 s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 99 → ωₙ = 9,95 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,95) = 0,1508

Результат

ωd = 9,95·√(1 − 0,1508²) = 9,836 rad/s → tp = π/ωd = 0,3194 s

Відповідь

tp = 0,3194 s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 37,28 %

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·1 × 10⁻⁶) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (268/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,2) = 0,2996

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,28 %

Відповідь

%OS = 37,28 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems