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 220 V. Нехтуючи всіма втратами на холостому ході, знайдіть його швидкість неробочого ходу n0 у rpm.

V = 220 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 1000 rpmT = 0,6 N·m

Двигун постійного струму (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) на сталій напрузі 24 V приводить навантаження 0,6 N·m. Знайдіть послідовний опір Rs, який зменшує його швидкість до 1000 rpm.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 0,6 N·mn = 1000 rpm
Rs = Ω
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
N1​ = 20, m = 3 mm

Двигун потужністю 5,5 kW із частотою обертання 2900 rpm приводить шестірню з 20 зубцями й модулем 3 mm. Знайдіть колову силу Ft на зубцях шестірні.

P = 5,5 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 3 mm
Ft = N
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Ns​ = 16nr​ = ?Np​ = 18водило нерухоме

У планетарній передачі сонячне колесо має 16 зубців, а кожен сателіт — 18 зубців. Водило закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 1500 rpm. Знайдіть частоту обертання nr вінця (за модулем).

Ns = 16Np = 18ns = 1500 rpm
nr = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Знайдіть ідеальне відношення сигнал/шум квантування SQNR 20-розрядного АЦП для синусоїди на повну шкалу.

N = 20
SQNR = dB
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
f0fs​/2fs​2,25 kHz3f₁?

Прямокутний сигнал 2,25 kHz дискретизується з частотою 5 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 = 2,25 kHzfs = 5 kHzгармоніка: 3f₁
fa = Hz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−15 VR1​ = 400 ΩR2​ = 100 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 200 ΩabGRg​ = 200 Ω

Гальванометр з опором 200 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 15 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.

Vs = 15 VR1 = 400 ΩR2 = 100 ΩR3 = 300 ΩR4 = 200 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Тензометричний датчик сили (повний міст із тензорезисторів) має номінальний вихід 2 mV/V при номінальному навантаженні 50 kg. Його живлять від 10 V. Знайдіть його вихід Vo при навантаженні 40 kg.

2 mV/VFrated = 50 kgVs = 10 VF = 40 kg
Vo = mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K = 1050,5s + 1C(s)−

Процес G(s) = 5/(0,5s + 1) регулюється пропорційним коефіцієнтом підсилення K = 10 у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для східчастого сигналу у відсотках від величини східця.

G(s) = 5/(0,5s + 1)K = 10
ess = %
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 1C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 1/(s + 1) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 6 rad/s і ζ = 0,8. Знайдіть інтегральний коефіцієнт Ki.

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,8
Ki =
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1?

Система має передатну функцію G(s) = 58/(s² + 5s + 58) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 58/(s² + 5s + 58)
%OS = %
12.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+165s(s + 8)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 165/(s(s + 8)). Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики замкненої системи за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 165/(s(s + 8))
ts = s

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: n0 = 2801 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 = 220/0,75 = 293,3 rad/s
n0 = 60·293,3/(2π) = 2801 rpm

Відповідь

n0 = 2801 rpm
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: Rs = 1,823 Ω

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.

Струм і зворотна ЕРС

Ia = 0,6/0,15 = 4 A
E = 0,15·104,7 = 15,71 V

Послідовний опір

Ra + Rs = (24 − 15,71)/4 = 2,073 Ω
Rs = 1,823 Ω

Відповідь

Rs = 1,823 Ω

Резистор розсіює 29,17 W; чопер керує швидкістю з набагато меншими втратами.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Ft = 603,7 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 = 5500/303,7 = 18,11 N·m

Ділильний діаметр

d = m·N = 3·20 = 60 mm

Колова сила

Ft = 2T/d = 2·18,11/0,06 = 603,7 N

Відповідь

Ft = 603,7 N
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nr = 461,5 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 = 16 + 2·18 = 52

Формула Вілліса за нерухомого водила

При nc = 0 сонячне колесо приводить вінець через сателіти, які працюють як паразитні колеса.

nr = −ns·Ns/Nr = −1500·16/52 = −461,5 rpm
|nr| = 461,5 rpm

Відповідь

nr = 461,5 rpm

Вінець обертається в протилежному до сонячного колеса напрямку.

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: SQNR = 122,2 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 = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Відповідь

SQNR = 122,2 dB
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 1750 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 = 3·2,25 kHz = 6,75 kHz

Найближче кратне частоти дискретизації

m = round(1,35) = 1

Частота аліасу

fa = |6750 − 1·5000| = 1750 Hz

Відповідь

fa = 1750 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 = −7500 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 = 15·(100/500 − 200/500) = −3 V

Опір Тевенена

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 200 Ω

Струм гальванометра

Ig = −3/(200 + 200) = −7500 µA

Відповідь

Ig = −7500 µA
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vo = 16 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.

Вихід на повній шкалі

2·10 = 20 mV

Вихід при цьому навантаженні

Vo = 20·40/50 = 16 mV

Відповідь

Vo = 16 mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 1,961 %

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.

Позиційна константа

Kp = 10·5 = 50

Похибка за східчастого сигналу

ess = 100/(1 + 50) = 1,961 %

Відповідь

ess = 1,961 %
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Ki = 36

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 + 1).

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,8·6s + 6² = s² + 9,6s + 36

Зіставте коефіцієнти

1Ki = 36 → Ki = 36

Відповідь

Ki = 36

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

11.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 33,56 %

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 = 58 → ωₙ = 7,616 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7,616) = 0,3283

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,092 = 33,56 %

Відповідь

%OS = 33,56 %
12.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 1 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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = 165/(s² + 8s + 165): ωₙ = 12,85 rad/s, ζ = 0,3114

Час встановлення

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Відповідь

ts = 1 s

Для цього контуру ζωₙ = a/2 за будь-якого K: збільшення K додає перерегулювання, але не скорочує час встановлення.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems