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)30 N·mn0​nFL​

Двигун постійного струму (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) працює від 120 V. При повному навантаженні він споживає 25 A. Нехтуючи струмом неробочого ходу, знайдіть його регулювання швидкості SR = (n₀ − nFL)/nFL у відсотках.

V = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩIFL = 25 A
SR = %
2.Двигуни постійного струмуСкладна
T (N·m)n (rpm)3 N·m300 rpm

Двигун постійного струму з k = 0,3 V·s/rad і Ra = 1 Ω має приводити навантаження 3 N·m при 300 rpm. Знайдіть потрібну напругу якоря V.

k = 0,3 V·s/radRa = 1 ΩT = 3 N·mn = 300 rpm
V = V
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 18N2​ = 25

Двигун потужністю 2,2 kW із частотою обертання 1500 rpm приводить шестірню з кількістю зубців 18, яка перебуває в зачепленні з колесом з кількістю зубців 25. ККД зубчастої пари — 98 %. Знайдіть крутний момент T1 на валу двигуна.

P = 2,2 kWn1 = 1500 rpmN1 = 18N2 = 25η = 98%
T1 = N·m
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Ns​ = 30вінець нерухомийNp​ = 18nc​ = ?

У планетарній передачі сонячне колесо має 30 зубців, а кожен сателіт — 18 зубців. Вінець (коронне колесо) закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 1200 rpm. Знайдіть частоту обертання nc водила.

Ns = 30Np = 18ns = 1200 rpm
nc = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
tTs​ = 1/fs​f = 3,75 kHzfs​ = 5 kHz

Синусоїда 3,75 kHz дискретизується з частотою 5 kHz без антиаліасингового фільтра. На якій частоті fa вона з’являється у відліках? Подайте в Hz.

f = 3,75 kHzfs = 5 kHz
fa = Hz
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
f0fs​/2fs​360 Hz3f₁?

Прямокутний сигнал 360 Hz дискретизується з частотою 2 kHz без антиаліасингового фільтра. Прямокутний сигнал містить непарні гармоніки 3f₁, 5f₁, 7f₁, … На якій частоті fa у дискретизованих даних з’являється його гармоніка 3f₁? Подайте в Hz.

f₁ = 360 Hzfs = 2 kHzгармоніка: 3f₁
fa = Hz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−3 VR1​ = 250 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 150 ΩabGRg​ = 500 Ω

Гальванометр з опором 500 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 3 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.

Vs = 3 VR1 = 250 ΩR2 = 50 ΩR3 = 300 ΩR4 = 150 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−2,25 mV

Тензорезистор (GF = 2) на елементі з E = 200 GPa утворює чвертьміст із живленням 3 V. Вихід показує 2,25 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 2,25 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 0,5t+4s(s + 4)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 0,5t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 4/(s(s + 4)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 4/(s(s + 4))r(t) = 0,5t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K4s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K керує об’єктом G(s) = 4/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,5.

G(s) = 4/(s(s + 5))ζ = 0,5
K =
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2

Система має передатну функцію G(s) = 124/(s² + 7s + 62) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

G(s) = 124/(s² + 7s + 62)
ζ =
12.Перехідна характеристикаСкладна
+−5 VR = 65 ΩL = 200 mHC = 47 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 65 Ω, L = 200 mH і C = 47 µF підключають до сходинки 5 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть момент tp першого піку напруги в ms.

R = 65 ΩL = 200 mHC = 47 µFV = 5 V
tp = ms

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: SR = 11,63 %

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 = 60·120/(2π·1,2) = 954,9 rpm
nFL = 60·(120 − 25·0,5)/(2π·1,2) = 855,5 rpm

Регулювання швидкості

SR = (954,9 − 855,5)/855,5·100 = 11,63 %

Відповідь

SR = 11,63 %
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: V = 19,42 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 = 0,3·31,42 = 9,425 V

Струм якоря

Ia = 3/0,3 = 10 A

Напруга якоря

V = 9,425 + 10·1 = 19,42 V

Відповідь

V = 19,42 V
3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: T1 = 14,01 N·m

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.

Момент двигуна

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/157,1 = 14,01 N·m

Відповідь

T1 = 14,01 N·m
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nc = 375 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 + 2·18 = 66

Формула Вілліса за нерухомого вінця

Підставте nr = 0 і знайдіть частоту обертання водила.

(1200 − nc)/(0 − nc) = −66/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1200·30/96 = 375 rpm

Відповідь

nc = 375 rpm

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

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 1250 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 = 2,5 kHz < f = 3,75 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

k = round(3750/5000) = 1

Частота аліасу

fa = |3750 − 1·5000| = 1250 Hz

Відповідь

fa = 1250 Hz

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

6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 920 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 гармоніки

3f₁ = 3·360 Hz = 1,08 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

m = round(0,54) = 1

Частота аліасу

fa = |1080 − 1·2000| = 920 Hz

Відповідь

fa = 920 Hz

Аліас потрапляє всередину смуги сигналу, де жоден цифровий фільтр його не прибере. Допоможе лише аналоговий фільтр перед АЦП.

7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Ig = −779,2 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 = 3·(50/300 − 150/450) = −0,5 V

Опір Тевенена

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 141,7 Ω

Струм гальванометра

Ig = −0,5/(141,7 + 500) = −779,2 µA

Відповідь

Ig = −779,2 µA
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: σ = 300 MPa

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.

Деформація

ε = 4·0,00225/(3·2) = 0,0015

Напруження

σ = 200·10³ MPa·0,0015 = 300 MPa

Відповідь

σ = 300 MPa
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,5

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.

Швидкісна константа

Kv = lim s·G(s) = 1

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 0,5/1 = 0,5

Відповідь

ess = 0,5
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 6,25

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) + 4K = s² + 5s + 4K

Власна частота

2·0,5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

Коефіцієнт підсилення

4K = ωₙ² = 25 → K = 6,25

Відповідь

K = 6,25
11.Перехідна характеристика

Відповідь: ζ = 0,4445

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 = 62 → ωₙ = 7,874 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,874) = 0,4445

Результат

ζ = 0,4445

Відповідь

ζ = 0,4445
12.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 11,11 ms

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/√(0,2·4,7 × 10⁻⁵) = 326,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (65/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,2) = 0,4982

Результат

ωd = 282,8 rad/s
tp = π/ωd = 11,11 ms

Відповідь

tp = 11,11 ms

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems