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
+−220 VRa​ = 1,2 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

Двигун постійного струму споживає 15 A від джерела 220 V. Його опір якоря — 1,2 Ω, а втрати на обертання (тертя, вентиляція й сталь) становлять 182 W. Знайдіть його ККД η.

V = 220 VIa = 15 ARa = 1,2 ΩProt = 182 W
η = %
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−120 VRa​ = 1,5 ΩIa​: 8 → 2 AM+−En = ?T

Двигун постійного струму незалежного збудження на 120 V (Ra = 1,5 Ω) обертається з 1500 rpm при струмі якоря 8 A. Навантаження змінюється, і струм стає 2 A, а поле не змінюється. Знайдіть нову швидкість n2.

V = 120 VRa = 1,5 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 8 AIa2 = 2 A
n2 = rpm
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
d1​ = 150 mmd2​ = 300 mm1450 rpmn2​ = ?

Шків 150 мм при 1450 об/хв приводить шків 300 мм пасом із прослизанням 2 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.

n1 = 1450 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 2 %
n2 = rpm
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Ns​ = 24nr​ = ?Np​ = 20водило нерухоме

У планетарній передачі сонячне колесо має 24 зубців, а кожен сателіт — 20 зубців. Водило закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 1440 rpm. Знайдіть частоту обертання nr вінця (за модулем).

Ns = 24Np = 20ns = 1440 rpm
nr = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = ?1000 kPa2ᴺ − 10≤ 0,5 kPa

Датчик вимірює тиск у діапазоні 1000 kPa, а його вихід заповнює весь вхідний діапазон АЦП. Показ має розрізняти 0,5 kPa. Знайдіть найменшу кількість розрядів N, потрібну АЦП.

діапазон = 1000 kPaроздільність = 0,5 kPa
N =
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
126⋮6 ch∿01tc​ = 5 µstset​ = 2,5 µsfs​ = ?

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

n = 6tc = 5 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−12 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−146,3 mV

Міст із чотирма плечима по 200 Ω живиться від 12 V. Коли датчик R₂ змінюється, вихід показує Vab = 146,3 mV. Знайдіть точну зміну ΔR опору R₂.

Vs = 12 VR = 200 ΩVab = 146,3 mV
ΔR = Ω
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Міст із плечима по 120 Ω живиться від 10 V і має два активні тензорезистори в сусідніх плечах, один розтягнутий і один стиснутий (напівміст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,12, деформація — 800 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.

Vs = 10 VGF = 2,12ε = 800 µε
Vo = mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K = 1410s + 1C(s)−

Процес G(s) = 4/(10s + 1) регулюється пропорційним коефіцієнтом підсилення K = 1 у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для східчастого сигналу у відсотках від величини східця.

G(s) = 4/(10s + 1)K = 1
ess = %
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 104s(s + 2)C(s)−

П-регулятор K = 10 керує об’єктом G(s) = 4/(s(s + 2)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 4/(s(s + 2))K = 10
tp = s
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 172/(s² + 9s + 86) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 172/(s² + 9s + 86)
ts = s
12.Перехідна характеристикаСкладна
t (s)y(t)112 %

Система другого порядку без нулів має давати перехідну характеристику з перерегулюванням 12 %. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

%OS = 12 %
ζ =

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: η = 86,3 %

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.

Потужності

Pin = 220·15 = 3300 W
Pdev = 202·15 = 3030 W
Pout = 3030 − 182 = 2848 W

ККД

η = 2848/3300·100 = 86,3 %

Відповідь

η = 86,3 %
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: n2 = 1625 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.

Зворотна ЕРС до і після

E1 = 120 − 8·1,5 = 108 V
E2 = 120 − 2·1,5 = 117 V

Нова швидкість

n2 = 1500·117/108 = 1625 rpm

Відповідь

n2 = 1625 rpm
3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: n2 = 710,5 rpm

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.

Частота обертання без прослизання

1450·150/300 = 725 rpm

З прослизанням

n2 = 725·0,98 = 710,5 rpm

Відповідь

n2 = 710,5 rpm
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nr = 540 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 = 24 + 2·20 = 64

Формула Вілліса за нерухомого водила

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

nr = −ns·Ns/Nr = −1440·24/64 = −540 rpm
|nr| = 540 rpm

Відповідь

nr = 540 rpm

Вінець обертається в протилежному до сонячного колеса напрямку.

5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: N = 11

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

1000/0,5 = 2000

Розряди

log₂(2000) = 10,97
210 = 1024 < 2000 ≤ 211 = 2048
N = 11

Відповідь

N = 11
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fs = 22,22 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

5 + 2,5 = 7,5 µs

Час на сканування

6·7,5 = 45 µs

Частота дискретизації на канал

fs = 1/45 µs = 22,22 kHz

Відповідь

fs = 22,22 kHz
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: ΔR = 10 Ω

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 вузла

Va = 6 + 0,1463 = 6,146 V

Розв’язати дільник

R₂ = 200·6,146/(12 − 6,146) = 210 Ω
ΔR = 210 − 200 = 10 Ω

Відповідь

ΔR = 10 Ω
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vo = 8,48 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 = 2,12·800·10⁻⁶ = 0,001696

Вихід мосту

Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,001696/2 = 8,48 mV

Відповідь

Vo = 8,48 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 = 1·4 = 4

Похибка за східчастого сигналу

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

Відповідь

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

Відповідь: tp = 0,5031 s

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 + 2) + 10·4 = s² + 2s + 40

ωₙ і ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 2/(2·6,325) = 0,1581

Час піка

ωd = 6,325·√(1 − 0,1581²) = 6,245 rad/s
tp = π/6,245 = 0,5031 s

Відповідь

tp = 0,5031 s
11.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 0,8889 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 = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,274) = 0,4852

Результат

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Відповідь

ts = 0,8889 s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: ζ = 0,5594

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(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Відповідь

ζ = 0,5594

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems