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
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

Двигун постійного струму віддає 7,5 kW механічної потужності при 1200 rpm. Знайдіть момент на валу T.

P = 7,5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
2.Двигуни постійного струмуСкладна
+−110 VRa​ = 0,8 ΩM+−EωT

Малий двигун постійного струму має опір якоря 0,8 Ω і працює від 110 V. Нехтуючи втратами на обертання, знайдіть найбільшу механічну потужність Pmax, яку він може розвинути на будь-якій швидкості.

V = 110 VRa = 0,8 Ω
Pmax = W
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1450 rpmT1​ = 500 NT2​ = 125 NP = ?

Пас іде на ведучому шківі 160 мм при 1450 об/хв. Натяг становить 500 Н на ведучій гілці та 125 Н на веденій. Знайдіть передавану потужність P у кВт.

d1 = 160 mmn1 = 1450 rpmT1 = 500 NT2 = 125 N
P = kW
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
A = 18B = 72C = 30D = 45

Двигун потужністю 7,5 kW із частотою 2900 rpm приводить колесо A (18 зубців), зчеплене з колесом B (72 зубців). Колесо C (30 зубців) на одному валу з B приводить колесо D (45 зубців) на вихідному валу. ККД кожного зачеплення 97 %. Знайдіть вихідний обертовий момент Tout.

P = 7,5 kWnin = 2900 rpmA = 18B = 72C = 30D = 45ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = 1210 V2ᴺ − 101 LSB6,978 V?

12-розрядний АЦП із вхідним діапазоном від 0 до 10 В відсікає: його вихідний код — ⌊Vin/LSB⌋ при 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Знайдіть десятковий вихідний код D для входу 6,978 В.

N = 12VFSR = 10 VVin = 6,978 V
D =
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Для аудіовимірювання потрібне ідеальне відношення сигнал/шум квантування щонайменше 70 дБ для синусоїди на повну шкалу. Знайдіть найменшу кількість розрядів АЦП N.

SQNR ≥ 70 dB
N =
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−5 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−Vab​ = ?

Міст має чотири плеча по 300 Ω і Vs = 5 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 1,5 Ω. У наближенні малих змін знайдіть вихід Vab у mV.

Vs = 5 VR = 300 ΩΔR = 1,5 Ω
Vab = mV
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1,5 mV

Тензорезистор (GF = 2) на елементі з E = 210 GPa утворює чвертьміст із живленням 5 V. Вихід показує 1,5 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,5 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 10)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t з усталеною похибкою 0,2. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,2
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+8 + Kd​s10s(s + 1)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 8 + Kd·s керує об’єктом G(s) = 10/(s(s + 1)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть диференціальний коефіцієнт Kd, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,5.

G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0,5
Kd = s
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 85/(s² + 9s + 85) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 85/(s² + 9s + 85)
ts = s
12.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 10)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 25 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 25 %
K =

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: T = 59,68 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.

Швидкість у rad/s

ω = 2π·1200/60 = 125,7 rad/s

Крутний момент

T = P/ω = 7500/125,7 = 59,68 N·m

Відповідь

T = 59,68 N·m
2.Двигуни постійного струму

Відповідь: Pmax = 3781 W

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.

Потужність як функція зворотної ЕРС

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

Максимальна потужність

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·0,8) = 3781 W

Відповідь

Pmax = 3781 W

У цій точці ККД становить лише 50 %, тож реальні двигуни працюють значно вище половини швидкості.

3.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: P = 4,555 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 = 12,15 m/s

Потужність

P = (500 − 125)·12,15 = 4555 W = 4,555 kW

Відповідь

P = 4,555 kW
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: Tout = 139,4 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Вихідна частота обертання

nout = 2900·(18/72)·(30/45) = 483,3 rpm
ωout = 2π·483,3/60 = 50,61 rad/s

Вихідна потужність і обертовий момент

Pout = 7500·0,97² = 7057 W
Tout = Pout/ωout = 7057/50,61 = 139,4 N·m

Відповідь

Tout = 139,4 N·m
5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: D = 2858

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.

Розмір кроку

1 LSB = 10/212 = 2,441 mV

Код

Vin/LSB = 6978/2,441 = 2858
код = ⌊2858⌋ = 2858

Відповідь

D = 2858

У двійковому записі це 101100101010.

6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: N = 12

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 ≥ (70 − 1,76)/6,02 = 11,34

Округліть угору

N = 12
перевірка: 6,02·12 + 1,76 = 74 dB ≥ 70 dB

Відповідь

N = 12
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vab = 6,25 mV

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.

Відносна зміна

ΔR/R = 1,5/300 = 0,005

Лінеаризований вихід

Vab ≈ 5·0,005/4 = 6,25 mV

Відповідь

Vab = 6,25 mV

Точне значення становить 6,234 mV; наближення добре, поки ΔR/R мале.

8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: σ = 126 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 = 4·0,0015/(5·2) = 0,0006

Напруження

σ = 210·10³ MPa·0,0006 = 126 MPa

Відповідь

σ = 126 MPa
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 50

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.

Потрібна швидкісна константа

Kv = A/ess = 1/0,2 = 5

Коефіцієнт підсилення

K = 10·Kv = 50

Відповідь

K = 50

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,7071. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kd = 0,7944 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 + 1) + 10(8 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 80

Власна частота

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s

Диференціальний коефіцієнт підсилення

1 + 10Kd = 2·0,5·8,944 = 8,944
Kd = 0,7944 s

Відповідь

Kd = 0,7944 s

Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.

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 = 85 → ωₙ = 9,22 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,22) = 0,4881

Результат

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Відповідь

ts = 0,8889 s
12.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 153,4

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) = K/(s² + 10s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 10/(2ζ) = 12,39 rad/s
K = ωₙ² = 153,4

Відповідь

K = 153,4

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems