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
+−48 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 6 AM+−EωT

Двигун постійного струму споживає 6 A від джерела 48 V. Його опір якоря — 0,5 Ω, а втрати на обертання (тертя, вентиляція й сталь) становлять 14 W. Знайдіть його ККД η.

V = 48 VIa = 6 ARa = 0,5 ΩProt = 14 W
η = %
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 600 rpmT = 1,8 N·m

Двигун постійного струму (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1 Ω) на сталій напрузі 110 V приводить навантаження 1,8 N·m. Знайдіть послідовний опір Rs, який зменшує його швидкість до 600 rpm.

V = 110 Vk = 0,3 V·s/radRa = 1 ΩT = 1,8 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm960 rpmT1​ = 600 NT2​ = 180 NP = ?

Пас іде на ведучому шківі 160 мм при 960 об/хв. Натяг становить 600 Н на ведучій гілці та 180 Н на веденій. Знайдіть передавану потужність P у кВт.

d1 = 160 mmn1 = 960 rpmT1 = 600 NT2 = 180 N
P = kW
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
d1​ = 120 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Відкритий пас з’єднує ведучий шків 120 мм при 960 об/хв зі шківом 400 мм; центри розташовані на відстані 600 мм. Коефіцієнт тертя 0,35, а натяг ведучої гілки не повинен перевищувати 600 Н. Знайдіть найбільшу потужність P, яку пас може передати без прослизання, у кВт (знехтуйте відцентровими ефектами).

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 600 N
P = kW
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
128⋮8 ch∿01N = 162 kHz? MB

Реєстратор дискретизує 8 каналів з частотою 2 кГц кожен 16-розрядним АЦП. Кожен відлік зберігається в цілих байтах. Знайдіть пам’ять M, потрібну для запису тривалістю 2 хв, у МБ (1 МБ = 10⁶ байт).

n = 8fs = 2 kHzN = 16t = 2 min
M = MB
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
f0fs​/2fs​220 Hz3f₁?

Прямокутний сигнал 220 Hz дискретизується з частотою 1 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 = 220 Hzfs = 1 kHzгармоніка: 3f₁
fa = Hz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−10 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−24,88 mV

Міст із чотирма плечима по 300 Ω живиться від 10 V. Коли датчик R₂ змінюється, вихід показує Vab = 24,88 mV. Знайдіть точну зміну ΔR опору R₂.

Vs = 10 VR = 300 ΩVab = 24,88 mV
ΔR = Ω
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Чвертьміст (один активний тензорезистор, GF = 2,05) живиться від 10 V. Найбільшу вимірювану деформацію 400 µε треба перетворити на 10 V на вході аналого-цифрового перетворювача. Знайдіть коефіцієнт підсилення підсилювача G.

Vs = 10 VGF = 2,05εmax = 400 µεVFS = 10 V
G =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 2·t²/2+2(s + 5)s²(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 5))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 10/(s + 4) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 0,6. Знайдіть інтегральний коефіцієнт Ki.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,6
Ki =
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5

Система має передатну функцію G(s) = 37/(s² + 12s + 74) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 37/(s² + 12s + 74)
ωn = rad/s
12.Перехідна характеристикаСкладна
k = 200 N/mc = 3 N·s/mm = 0,5 kgF = 50 Nx(t)

Маса m = 0,5 kg висить на пружині k = 200 N/m з в’язким демпфером c = 3 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 50 N. Знайдіть момент tp, коли зміщення найбільше.

m = 0,5 kgk = 200 N/mc = 3 N·s/mF = 50 N
tp = s

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: η = 88,89 %

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 = 48·6 = 288 W
Pdev = 45·6 = 270 W
Pout = 270 − 14 = 256 W

ККД

η = 256/288·100 = 88,89 %

Відповідь

η = 88,89 %
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: Rs = 14,19 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 = 1,8/0,3 = 6 A
E = 0,3·62,83 = 18,85 V

Послідовний опір

Ra + Rs = (110 − 18,85)/6 = 15,19 Ω
Rs = 14,19 Ω

Відповідь

Rs = 14,19 Ω

Резистор розсіює 510,9 W; чопер керує швидкістю з набагато меншими втратами.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: P = 3,378 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 = 8,042 m/s

Потужність

P = (600 − 180)·8,042 = 3378 W = 3,378 kW

Відповідь

P = 3,378 kW
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: P = 2,198 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.

Кут обхвату

θ = 2,671 rad

Натяг веденої гілки

eμθ = e0,9347 = 2,546, T₂ = 600/2,546 = 235,6 N

Потужність

P = (600 − 235,6)·6,032 = 2,198 kW

Відповідь

P = 2,198 kW
5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: M = 3,84 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

⌈16/8⌉ = 2 B

Швидкість у байтах

8·2000·2 = 32000 B/s

Пам’ять

M = 32000·120 = 3,84 × 10⁶ B = 3,84 MB

Відповідь

M = 3,84 MB
6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fa = 340 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 = 3·220 Hz = 660 Hz

Найближче кратне частоти дискретизації

m = round(0,66) = 1

Частота аліасу

fa = |660 − 1·1000| = 340 Hz

Відповідь

fa = 340 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: ΔR = 3,001 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 = 5 + 0,02488 = 5,025 V

Розв’язати дільник

R₂ = 300·5,025/(10 − 5,025) = 303 Ω
ΔR = 303 − 300 = 3,001 Ω

Відповідь

ΔR = 3,001 Ω
8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: G = 4878

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 мосту на повній шкалі

Vo = 2,05 mV

Коефіцієнт підсилення

G = 10/0,00205 = 4878

Відповідь

G = 4878
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 1

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 = 2·5/5 = 2

Похибка за параболічного сигналу

ess = 2/2 = 1

Відповідь

ess = 1
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Ki = 6,4

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 + 4).

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,6·8s + 8² = s² + 9,6s + 64

Зіставте коефіцієнти

10Ki = 64 → Ki = 6,4

Відповідь

Ki = 6,4

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

11.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 8,602 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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,602) = 0,6975

Результат

ωₙ = 8,602 rad/s

Відповідь

ωn = 8,602 rad/s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,1589 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 = √(k/m) = √(200/0,5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 3/(2·√(200·0,5)) = 0,15

Результат

ωd = 19,77 rad/s
tp = π/ωd = 0,1589 s

Відповідь

tp = 0,1589 s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems