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)24 N·mn0​nFL​

Двигун постійного струму (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) працює від 240 V. При повному навантаженні він споживає 40 A. Нехтуючи струмом неробочого ходу, знайдіть його регулювання швидкості SR = (n₀ − nFL)/nFL у відсотках.

V = 240 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,4 ΩIFL = 40 A
SR = %
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−110 VRa​ = 0,8 ΩM+−En = ?T = 8 N·m

Двигун постійного струму незалежного збудження (k = 1 V·s/rad при повному полі, Ra = 0,8 Ω, V = 110 V) приводить навантаження зі сталим моментом 8 N·m. Магнітний потік збудження зменшують до 85 % від повного значення. Знайдіть нову швидкість n.

V = 110 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 8 N·mΦ = 85 %
n = rpm
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 18, m = 3 mm

Двигун потужністю 2,2 kW із частотою обертання 1440 rpm приводить шестірню з 18 зубцями й модулем 3 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.

P = 2,2 kWn = 1440 rpmN1 = 18m = 3 mm
Ft = N
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Ns​ = 30вінець нерухомийNp​ = 20nc​ = ?

У планетарній передачі сонячне колесо має 30 зубців, а кожен сателіт — 20 зубців. Вінець (коронне колесо) закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 1440 rpm. Знайдіть частоту обертання nc водила.

Ns = 30Np = 20ns = 1440 rpm
nc = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 0,1 mV

АЦП із вхідним діапазоном від 0 до 10 В має розрізняти кроки 0,1 мВ або менші. Знайдіть найменшу кількість розрядів N.

VFSR = 10 Vроздільність = 0,1 mV
N =
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудіовимірювання потрібне ідеальне відношення сигнал/шум квантування щонайменше 75 дБ для синусоїди на повну шкалу. Знайдіть найменшу кількість розрядів АЦП N.

SQNR ≥ 75 dB
N =
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−6 VR1​ = 40 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 50 ΩR4​ = 500 ΩabGRg​ = 20 Ω

Гальванометр з опором 20 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 6 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.

Vs = 6 VR1 = 40 ΩR2 = 10 ΩR3 = 50 ΩR4 = 500 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−2,5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Міст із плечима по 350 Ω живиться від 2,5 V і має чотири активні тензорезистори, два розтягнуті й два стиснуті (повний міст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,12, деформація — 200 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 200 µε
Vo = mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 0,5·t²/2+4(s + 1)s²(s + 2)C(s)−

Параболічний вхід r(t) = 0,5·t²/2 подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 2)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 2))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 4/(s + 2) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 4 rad/s і ζ = 0,6. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3tp​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 48/(s² + s + 16) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 48/(s² + s + 16)
tp = s
12.Перехідна характеристикаСкладна
k = 5000 N/mc = 60 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

Маса m = 2 kg висить на пружині k = 5000 N/m з в’язким демпфером c = 60 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 25 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 2 kgk = 5000 N/mc = 60 N·s/mF = 25 N
%OS = %

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: SR = 7,143 %

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 та при повному навантаженні

n₀ = 60·240/(2π·0,6) = 3820 rpm
nFL = 60·(240 − 40·0,4)/(2π·0,6) = 3565 rpm

Регулювання швидкості

SR = (3820 − 3565)/3565·100 = 7,143 %

Відповідь

SR = 7,143 %
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: n = 1151 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.

Константа двигуна при послабленому полі

k₂ = 0,85·1 = 0,85 V·s/rad

Новий струм якоря

Ia = 8/0,85 = 9,412 A

Нова швидкість

ω = (110 − 9,412·0,8)/0,85 = 120,6 rad/s → n = 1151 rpm

Відповідь

n = 1151 rpm

Послаблення поля — це спосіб, яким привід постійного струму працює вище за базову швидкість.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Ft = 540,3 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 2200/150,8 = 14,59 N·m

Ділильний діаметр

d = m·N = 3·18 = 54 mm

Колова сила

Ft = 2T/d = 2·14,59/0,054 = 540,3 N

Відповідь

Ft = 540,3 N
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nc = 432 rpm

Планетарні передачі: частоти обертання сонячного колеса, вінця й водила пов’язані формулою Вілліса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: відносно водила це звичайна передача, у якій сателіти є паразитними колесами. Якщо закріпити одну ланку, передача стає редуктором з одним передаточним відношенням.

Зубці вінця

Nr = Ns + 2·Np = 30 + 2·20 = 70

Формула Вілліса за нерухомого вінця

Підставте nr = 0 і знайдіть частоту обертання водила.

(1440 − nc)/(0 − nc) = −70/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1440·30/100 = 432 rpm

Відповідь

nc = 432 rpm

Водило обертається в тому самому напрямку, що й сонячне колесо.

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: N = 17

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.

Потрібна кількість кроків

10000 mV/0,1 mV = 100000

Розряди

log₂(100000) = 16,61
216 = 65536 < 100000 ≤ 217 = 131072
N = 17

Відповідь

N = 17
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: N = 13

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.

Розв’яжіть відносно N

N ≥ (75 − 1,76)/6,02 = 12,17

Округліть угору

N = 13
перевірка: 6,02·13 + 1,76 = 80,02 dB ≥ 75 dB

Відповідь

N = 13
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Ig = −57921 µA

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.

Напруга Тевенена

Vth = 6·(10/50 − 500/550) = −4,255 V

Опір Тевенена

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 53,45 Ω

Струм гальванометра

Ig = −4,255/(53,45 + 20) = −57921 µA

Відповідь

Ig = −57921 µA
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vo = 1,06 mV

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.

Відносна зміна опору

ΔR/R = 2,12·200·10⁻⁶ = 0,000424

Вихід мосту

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,000424 = 1,06 mV

Відповідь

Vo = 1,06 mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,25

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 = 4·1/2 = 2

Похибка за параболічного сигналу

ess = 0,5/2 = 0,25

Відповідь

ess = 0,25
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 0,7

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

1 + C(s)G(s) = 0, помножене на s(s + 2).

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,6·4s + 4² = s² + 4,8s + 16

Зіставте коефіцієнти

2 + 4Kp = 4,8 → Kp = 0,7

Відповідь

Kp = 0,7

Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.

11.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,7916 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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·4) = 0,125

Результат

ωd = 4·√(1 − 0,125²) = 3,969 rad/s → tp = π/ωd = 0,7916 s

Відповідь

tp = 0,7916 s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 37,23 %

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 = √(k/m) = √(5000/2) = 50 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 60/(2·√(5000·2)) = 0,3

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,23 %

Відповідь

%OS = 37,23 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems