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
+−VRa​M+−En = 2000 rpmT = ?

Двигун постійного струму віддає 1 kW механічної потужності при 2000 rpm. Знайдіть момент на валу T.

P = 1 kWn = 2000 rpm
T = N·m
2.Двигуни постійного струмуСкладна
T (N·m)n (rpm)12 N·m1200 rpm

Двигун постійного струму з k = 1,2 V·s/rad і Ra = 2 Ω має приводити навантаження 12 N·m при 1200 rpm. Знайдіть потрібну напругу якоря V.

k = 1,2 V·s/radRa = 2 ΩT = 12 N·mn = 1200 rpm
V = V
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 16, m = 2,5 mm

Двигун потужністю 1,1 kW із частотою обертання 2900 rpm приводить шестірню з 16 зубцями й модулем 2,5 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.

P = 1,1 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 2,5 mm
Ft = N
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Відкритий пас з’єднує ведучий шків 125 мм при 1500 об/хв зі шківом 315 мм; центри розташовані на відстані 800 мм. Коефіцієнт тертя 0,3, а натяг ведучої гілки не повинен перевищувати 1200 Н. Знайдіть найбільшу потужність P, яку пас може передати без прослизання, у кВт (знехтуйте відцентровими ефектами).

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmd2 = 315 mmC = 800 mmμ = 0,3T1 = 1200 N
P = kW
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = 24VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Знайдіть ідеальне відношення сигнал/шум квантування SQNR 24-розрядного АЦП для синусоїди на повну шкалу.

N = 24
SQNR = dB
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
122 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 0,5 µsfs​ = ?

2-канальний мультиплексор живить один АЦП. Кожне перетворення триває 4 мкс, а після кожного перемикання каналу входу потрібно 0,5 мкс, щоб встановитися. Канали сканують по черзі без пауз. Знайдіть частоту дискретизації fs кожного каналу в кГц.

n = 2tc = 4 µstset = 0,5 µs
fs = kHz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−10 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

Міст має чотири плеча по 200 Ω і Vs = 10 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 20 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.

Vs = 10 VR = 200 ΩΔR = 20 Ω
Vab = mV
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1 mV

Чвертьміст з одним активним тензорезистором (GF = 2) живиться від 2,5 V. Під навантаженням вихід показує 1 mV. Знайдіть деформацію ε у µε.

Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 1 mV
ε = µε
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 5·t²/2+20(s + 4)s²(s + 10)C(s)−

Параболічний вхід r(t) = 5·t²/2 подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 10)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 10))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 4010s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K = 40 керує об’єктом G(s) = 10/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 40
%OS = %
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5

Система має передатну функцію G(s) = 27,5/(s² + 11s + 55) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 27,5/(s² + 11s + 55)
ωn = rad/s
12.Перехідна характеристикаСкладна
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s50 %

Перехідна характеристика системи другого порядку без нулів має перерегулювання 50 %, а перший пік настає при t = 0,1 s. Знайдіть власну частоту ωn.

%OS = 50 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: T = 4,775 N·m

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 у rad/s

ω = 2π·2000/60 = 209,4 rad/s

Крутний момент

T = P/ω = 1000/209,4 = 4,775 N·m

Відповідь

T = 4,775 N·m
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: V = 170,8 V

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.

Зворотна ЕРС

E = 1,2·125,7 = 150,8 V

Струм якоря

Ia = 12/1,2 = 10 A

Напруга якоря

V = 150,8 + 10·2 = 170,8 V

Відповідь

V = 170,8 V
3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Ft = 181,1 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Ділильний діаметр

d = m·N = 2,5·16 = 40 mm

Колова сила

Ft = 2T/d = 2·3,622/0,04 = 181,1 N

Відповідь

Ft = 181,1 N
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: P = 6,851 kW

Пасові передачі: без прослизання обидва шківи мають однакову колову швидкість обода v = π·d·n/60, тож n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточне відношення дорівнює d₂/d₁. Прослизання s робить ведений шків трохи повільнішим: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передавана потужність P = (T₁ − T₂)·v, де T₁ — натяг ведучої гілки, а T₂ — веденої. Тертя обмежує відношення натягів: T₁/T₂ = eμθ, де θ — кут обхвату в радіанах на меншому шківі; для відкритого паса θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при міжосьовій відстані C.

Кут обхвату

θ = 2,904 rad

Натяг веденої гілки

eμθ = e0,8711 = 2,389, T₂ = 1200/2,389 = 502,2 N

Потужність

P = (1200 − 502,2)·9,817 = 6,851 kW

Відповідь

P = 6,851 kW
5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: SQNR = 146,2 dB

Роздільність АЦП: N-розрядний перетворювач ділить свій діапазон повної шкали VFSR на 2ᴺ кодів, від 0 до 2ᴺ − 1. Один крок дорівнює 1 LSB = VFSR/2ᴺ: найменша зміна, яку може показати перетворювач. АЦП з відсіканням дає код ⌊Vin/LSB⌋; АЦП із округленням ніколи не відхиляється від істинного значення більш ніж на ½ LSB, це його похибка квантування. Кожен додатковий розряд зменшує LSB удвічі й додає близько 6 дБ до ідеального відношення сигнал/шум квантування SQNR = 6,02·N + 1,76 дБ для синуса на повну шкалу. Щоб досягти роздільності r на діапазоні, оберіть найменше N, для якого 2ᴺ ≥ діапазон/r.

Ідеальне SQNR

SQNR = 6,02·24 + 1,76 = 146,2 dB

Відповідь

SQNR = 146,2 dB
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fs = 111,1 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

4 + 0,5 = 4,5 µs

Час на сканування

2·4,5 = 9 µs

Частота дискретизації на канал

fs = 1/9 µs = 111,1 kHz

Відповідь

fs = 111,1 kHz
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vab = 238,1 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.

Напруги вузлів

Va = 10·220/420 = 5,238 V
Vb = 5 V

Виведення

Vab = 238,1 mV

Відповідь

Vab = 238,1 mV

Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 250 mV завищена на 5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.

8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: ε = 800 µε

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.

Розв’яжіть рівняння чвертьмосту

ε = 4·0,001/(2,5·2) = 0,0008

У мікродеформаціях

ε = 800 µε

Відповідь

ε = 800 µε
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,625

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.

Константа прискорення

Ka = 20·4/10 = 8

Похибка за параболічного сигналу

ess = 5/8 = 0,625

Відповідь

ess = 0,625
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 67,31 %

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 + 5) + 40·10 = s² + 5s + 400

ωₙ і ζ

ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 5/(2·20) = 0,125

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,125π/√(1 − 0,125²) = 67,31 %

Відповідь

%OS = 67,31 %
11.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 7,416 rad/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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,416) = 0,7416

Результат

ωₙ = 7,416 rad/s

Відповідь

ωn = 7,416 rad/s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 32,17 rad/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).

Коефіцієнт демпфування

ζ = −ln(0,5)/√(π² + ln²(0,5)) = 0,6931/√(9,87 + 0,4805) = 0,2155

Власна частота

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,9765 = 32,17 rad/s

Відповідь

ωn = 32,17 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems