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)40 N·mn0​nFL​

Двигун постійного струму (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) працює від 120 V. При повному навантаженні він споживає 40 A. Нехтуючи струмом неробочого ходу, знайдіть його регулювання швидкості SR = (n₀ − nFL)/nFL у відсотках.

V = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 40 A
SR = %
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​ = 80 mmd2​ = 500 mm720 rpmn2​ = ?

Шків 80 мм при 720 об/хв приводить шків 500 мм пасом із прослизанням 1 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.

n1 = 720 rpmd1 = 80 mmd2 = 500 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
A = 12B = 50C = 30D = ?

У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (12 зубців) на вхідному валу обертається з частотою 1450 rpm і приводить колесо B (50 зубців). Колесо C (30 зубців) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D на вихідному валу. Вихідний вал має обертатися з частотою 174 rpm. Скільки зубців ND має мати колесо D?

nin = 1450 rpmA = 12B = 50C = 30nout = 174 rpm
ND =
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Vin​N = 125 V01 LSB4,693 V?

12-розрядний АЦП із вхідним діапазоном від 0 до 5 В відсікає: його вихідний код — ⌊Vin/LSB⌋ при 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Знайдіть десятковий вихідний код D для входу 4,693 В.

N = 12VFSR = 5 VVin = 4,693 V
D =
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​460800 Bd, 8N1

16-розрядний АЦП передає кожен відлік через UART зі швидкістю 460800 бод, формат 8N1 (стартовий біт, 8 біт даних, 1 стоповий біт). Кожен відлік надсилається як 2 цілих байт(и), і лінія зайнята весь час. Знайдіть найвищу частоту сигналу fmax, яку можна дискретизувати без аліасингу, у Гц.

baud = 460800 BdN = 168N1
fmax = Hz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
+−9 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

Міст має чотири плеча по 120 Ω і Vs = 9 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 12 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.

Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 12 Ω
Vab = mV
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, деформація — 250 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.

Vs = 3 VGF = 2ε = 250 µε
Vo = mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 10·t²/2+10(s + 4)s²(s + 10)C(s)−

Параболічний вхід r(t) = 10·t²/2 подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 10)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 10))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K2s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K керує об’єктом G(s) = 2/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,4.

G(s) = 2/(s(s + 5))ζ = 0,4
K =
11.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1?

Система має передатну функцію G(s) = 39/(s² + 2s + 39) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 39/(s² + 2s + 39)
%OS = %
12.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 10 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 10 %
K =

3Розчини

1.Двигуни постійного струму

Відповідь: SR = 7,143 %

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 та при повному навантаженні

n₀ = 60·120/(2π·1) = 1146 rpm
nFL = 60·(120 − 40·0,2)/(2π·1) = 1070 rpm

Регулювання швидкості

SR = (1146 − 1070)/1070·100 = 7,143 %

Відповідь

SR = 7,143 %
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: n2 = 114 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

720·80/500 = 115,2 rpm

З прослизанням

n2 = 115,2·0,99 = 114 rpm

Відповідь

n2 = 114 rpm
4.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: ND = 60

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.

Частота обертання проміжного вала

nB = nC = 1450·12/50 = 348 rpm

Зубці колеса D

ND = C·nC/nout = 30·348/174 = 60

Відповідь

ND = 60
5.Збір даних і дискретизація

Відповідь: D = 3844

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 = 5/212 = 1,221 mV

Код

Vin/LSB = 4693/1,221 = 3845
код = ⌊3845⌋ = 3844

Відповідь

D = 3844

У двійковому записі це 111100000100.

6.Збір даних і дискретизація

Відповідь: fmax = 11520 Hz

UART: асинхронна послідовна лінія передає кожен байт як кадр: один стартовий біт (низький), біти даних, необов’язковий біт парності та один або два стопові біти (високі). Швидкість у бодах — це кількість біт за секунду, тож один біт триває Tb = 1/бод, а кадр із n біт — n/бод. Поширений формат 8N1 має 10 біт на байт. Генератор швидкості ділить тактову частоту: бод = fclk/(16·D) із цілим D, тож реальна швидкість трохи відрізняється від цільової; похибка менш ніж приблизно 2 % зазвичай прийнятна.

Біти на відлік на лінії

2·10 = 20 bit

Найвища частота дискретизації

fs,max = 460800/20 = 23040 Hz

Межа Найквіста

fmax = 23040/2 = 11520 Hz

Відповідь

fmax = 11520 Hz
7.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vab = 214,3 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.

Напруги вузлів

Va = 9·132/252 = 4,714 V
Vb = 4,5 V

Виведення

Vab = 214,3 mV

Відповідь

Vab = 214,3 mV

Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 225 mV завищена на 5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.

8.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: Vo = 0,375 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 = 2·250·10⁻⁶ = 0,0005

Вихід мосту

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,0005/4 = 0,375 mV

Відповідь

Vo = 0,375 mV
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 2,5

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 = 10·4/10 = 4

Похибка за параболічного сигналу

ess = 10/4 = 2,5

Відповідь

ess = 2,5
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 19,53

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) + 2K = s² + 5s + 2K

Власна частота

2·0,4·ωₙ = 5 → ωₙ = 6,25 rad/s

Коефіцієнт підсилення

2K = ωₙ² = 39,06 → K = 19,53

Відповідь

K = 19,53
11.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 60,07 %

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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,245) = 0,1601

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,5096 = 60,07 %

Відповідь

%OS = 60,07 %
12.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 17,88

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 + 5s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,229 rad/s
K = ωₙ² = 17,88

Відповідь

K = 17,88

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems