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)Tst​ = ?n0​

Двигун постійного струму з k = 0,25 N·m/A і Ra = 0,8 Ω під’єднано до 24 V. Знайдіть його стопорний момент Tstall, тобто момент при нульовій швидкості.

V = 24 Vk = 0,25 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 1,2 Ω25 AM+−E = 0n = 0T

Двигун постійного струму на 48 V має опір якоря 1,2 Ω. Знайдіть послідовний пусковий опір Rst, який обмежує пусковий струм до 25 A.

V = 48 VRa = 1,2 ΩImax = 25 A
Rst = Ω
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm1450 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 600 NP = ?

Пас іде на ведучому шківі 200 мм при 1450 об/хв. Натяг становить 1200 Н на ведучій гілці та 600 Н на веденій. Знайдіть передавану потужність P у кВт.

d1 = 200 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1200 NT2 = 600 N
P = kW
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
A = 15B = 24C = 30D = 48

У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (15 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1440 rpm і приводить колесо B (24 зуб.). Колесо C (30 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (48 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.

nin = 1440 rpmA = 15B = 24C = 30D = 48
nout = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
122 ch∿01N = 1420 kHz? MB

Реєстратор дискретизує 2 каналів з частотою 20 кГц кожен 14-розрядним АЦП. Кожен відлік зберігається в цілих байтах. Знайдіть пам’ять M, потрібну для запису тривалістю 5 хв, у МБ (1 МБ = 10⁶ байт).

n = 2fs = 20 kHzN = 14t = 5 min
M = MB
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудіовимірювання потрібне ідеальне відношення сигнал/шум квантування щонайменше 40 дБ для синусоїди на повну шкалу. Знайдіть найменшу кількість розрядів АЦП N.

SQNR ≥ 40 dB
N =
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−5 VR1​ = 100 ΩR2​ = 600 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 200 ΩabGRg​ = 100 Ω

Гальванометр з опором 100 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 5 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.

Vs = 5 VR1 = 100 ΩR2 = 600 ΩR3 = 300 ΩR4 = 200 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Міст із плечима по 120 Ω живиться від 3 V і має один активний тензорезистор (чвертьміст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,1, деформація — 1000 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.

Vs = 3 VGF = 2,1ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K = 2210s + 1C(s)−

Процес G(s) = 2/(10s + 1) регулюється пропорційним коефіцієнтом підсилення K = 2 у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для східчастого сигналу у відсотках від величини східця.

G(s) = 2/(10s + 1)K = 2
ess = %
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 505s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K = 50 керує об’єктом G(s) = 5/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 5/(s(s + 5))K = 50
%OS = %
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5

Система має передатну функцію G(s) = 24/(s² + 10s + 48) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 24/(s² + 10s + 48)
ωn = rad/s
12.Перехідна характеристикаСкладна
+−5 VR = 95 ΩL = 200 mHC = 22 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 95 Ω, L = 200 mH і C = 22 µF підключають до сходинки 5 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть власну частоту незагасаючих коливань ωn в rad/s.

R = 95 ΩL = 200 mHC = 22 µFV = 5 V
ωn = rad/s

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: Tstall = 7,5 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.

Стопорний струм

Ia = V/Ra = 24/0,8 = 30 A

Стопорний момент

Tstall = 0,25·30 = 7,5 N·m

Відповідь

Tstall = 7,5 N·m
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: Rst = 0,72 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.

Повний опір

Ra + Rst = 48/25 = 1,92 Ω

Пусковий резистор

Rst = 1,92 − 1,2 = 0,72 Ω

Відповідь

Rst = 0,72 Ω

Резистор виводять покроково, у міру того як двигун розганяється, а зворотна ЕРС зростає.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: P = 9,111 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.

Швидкість паса

v = 15,18 m/s

Потужність

P = (1200 − 600)·15,18 = 9111 W = 9,111 kW

Відповідь

P = 9,111 kW
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nout = 562,5 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 = 1440·15/24 = 900 rpm = nC

Другий ступінь

nout = 900·30/48 = 562,5 rpm

Відповідь

nout = 562,5 rpm

загальне передаточне відношення = 2,56 : 1

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: M = 24 MB

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).

Байти на відлік

⌈14/8⌉ = 2 B

Швидкість у байтах

2·20000·2 = 80000 B/s

Пам’ять

M = 80000·300 = 2,4 × 10⁷ B = 24 MB

Відповідь

M = 24 MB
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: N = 7

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 ≥ (40 − 1,76)/6,02 = 6,352

Округліть угору

N = 7
перевірка: 6,02·7 + 1,76 = 43,9 dB ≥ 40 dB

Відповідь

N = 7
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Ig = 7477 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 = 5·(600/700 − 200/500) = 2,286 V

Опір Тевенена

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 205,7 Ω

Струм гальванометра

Ig = 2,286/(205,7 + 100) = 7477 µA

Відповідь

Ig = 7477 µA
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vo = 1,575 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 = 2,1·1000·10⁻⁶ = 0,0021

Вихід мосту

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,0021/4 = 1,575 mV

Відповідь

Vo = 1,575 mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 20 %

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 = 2·2 = 4

Похибка за східчастого сигналу

ess = 100/(1 + 4) = 20 %

Відповідь

ess = 20 %
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 60,47 %

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) + 50·5 = s² + 5s + 250

ωₙ і ζ

ωₙ = √250 = 15,81 rad/s
ζ = 5/(2·15,81) = 0,1581

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,1581π/√(1 − 0,1581²) = 60,47 %

Відповідь

%OS = 60,47 %
11.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 6,928 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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,928) = 0,7217

Результат

ωₙ = 6,928 rad/s

Відповідь

ωn = 6,928 rad/s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 476,7 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).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·2,2 × 10⁻⁵) = 476,7 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (95/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,2) = 0,4982

Результат

ωₙ = 476,7 rad/s

Відповідь

ωn = 476,7 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems