Hệ thống cơ điện tử: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 12 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Động cơ một chiều

Mạch phần ứng
V = E + IaRa
Sức điện động ngược và mômen
E = k·ω, T = k·Ia
Tốc độ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tốc độ không tải và mômen hãm
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Các công suất
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Khởi động
Istart = V/(Ra + Rst)
Độ điều chỉnh tốc độ
SR = (n0 − nFL)/nFL
Công suất phát triển cực đại
Pmax = V²/(4Ra)
Truyền động bằng bộ băm xung
Va = D·Vdc

Phương pháp

  1. Vẽ mạch phần ứng: nguồn V, điện trở Ra và sức điện động ngược E mắc nối tiếp.
  2. Dùng V = E + Ia·Ra để liên hệ điện áp, dòng điện và sức điện động ngược.
  3. Dùng E = k·ω cho tốc độ và T = k·Ia cho mômen, với ω = 2π·n/60.
  4. Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·Ia, trừ tổn thất đồng Ia²·Ra rồi đến các tổn thất quay.

Bánh răng và hệ bánh răng

Bánh răng ăn khớp
n1·N1 = n2·N2
Mômen xoắn
T2 = T1·(N2/N1)·η
Công suất
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Hệ bánh răng ghép
tỉ số truyền tổng = tích các tỉ số truyền từng cấp

Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Tiêu chuẩn Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Tần số răng cưa (alias)
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Kích thước bước lượng tử
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Sai số lượng tử hóa (làm tròn)
±½ LSB
Mã ADC cắt cụt
D = ⌊Vin/LSB⌋
Số bit cho độ phân giải r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR lý tưởng, sóng sin toàn thang
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tốc độ dữ liệu
số kênh × fs × N bit/s
ADC ghép kênh
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit cho mỗi byte; byte/s = baud/số bit mỗi khung
Bộ chia tốc độ baud
baud = fclk/(16·D)

Phương pháp

  1. Ghi ra những gì đã cho: tốc độ lấy mẫu, các tần số tín hiệu, số bit, dải đầu vào, tốc độ baud.
  2. Với các câu hỏi về lấy mẫu, so sánh từng tần số với fs/2; tần số cao hơn xuất hiện tại fa = |f − k·fs| với bội số gần nhất của fs.
  3. Với các câu hỏi về độ phân giải, tìm 1 LSB = VFSR/2ᴺ, hoặc N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/độ phân giải.
  4. Với tốc độ dữ liệu và đường truyền UART, đếm mọi thứ được gửi đi: số kênh, số mẫu mỗi giây, số bit hoặc số byte nguyên mỗi mẫu, và các bit khởi đầu, chẵn lẻ và dừng của mỗi khung.

Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Điện áp bộ chia
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Lượng ra
Vab = Va − Vb
Cân bằng
R1/R2 = R3/R4
Cầu dây trượt
R/Rx = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Hệ số cảm biến
ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu
một phần tư Vs·GF·ε/4, một nửa Vs·GF·ε/2, đầy đủ Vs·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Ứng suất
σ = E·ε

Phương pháp

  1. Coi cầu như hai bộ chia áp mắc song song trên cùng một nguồn.
  2. Để cầu cân bằng, đặt R₁/R₂ = R₃/R₄ rồi giải tìm điện trở chưa biết.
  3. Với cầu không cân bằng, tìm Va và Vb từ các bộ chia áp rồi lấy hiệu; dùng mạch tương đương Thévenin khi đồng hồ đo làm tải đầu ra.
  4. Với cảm biến biến dạng (strain gauge), đổi biến dạng sang ΔR/R = GF·ε rồi dùng Vs·GF·ε/4, /2 hoặc ×1 cho cầu một phần tư, nửa cầu hoặc cầu đầy đủ.

Sai số xác lập và điều khiển PID

Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Phương pháp

  1. Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
  2. Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
  3. Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
  4. Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Bài tập

1.Động cơ một chiềuTrung bình
+−240 VRa​ = 0,8 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

Một động cơ một chiều lấy 20 A từ nguồn 240 V. Điện trở phần ứng của nó là 0,8 Ω và các tổn thất quay (ma sát, cản gió và sắt từ) là 224 W. Tìm hiệu suất η của nó.

V = 240 VIa = 20 ARa = 0,8 ΩProt = 224 W
η = %
2.Động cơ một chiềuKhó
+−24 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 5 → 10 AM+−En = ?T

Một động cơ một chiều kích từ độc lập trên 24 V (Ra = 0,2 Ω) chạy ở 1200 rpm với dòng phần ứng 5 A. Tải thay đổi và dòng điện trở thành 10 A, với từ trường không đổi. Tìm tốc độ mới n2.

V = 24 VRa = 0,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 5 AIa2 = 10 A
n2 = rpm
3.Bánh răng và hệ bánh răngTrung bình
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm1450 rpmn2​ = ?

Một puli 120 mm ở 1450 vòng/phút dẫn động một puli 200 mm bằng dây đai với độ trượt 2 %. Tìm tốc độ n2 của puli bị dẫn.

n1 = 1450 rpmd1 = 120 mmd2 = 200 mms = 2 %
n2 = rpm
4.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
Ns​ = 20vành răng cố địnhNp​ = 24nc​ = ?

Trong một bộ bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời có 20 răng và mỗi bánh răng hành tinh có 24 răng. Vành răng ngoài được giữ cố định và bánh mặt trời được dẫn động ở 1800 rpm. Tìm tốc độ nc của cần dẫn hành tinh.

Ns = 20Np = 24ns = 1800 rpm
nc = rpm
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình
Vin​N = 82,5 V01 LSB2,2 V?

Một ADC 8 bit có dải đầu vào từ 0 đến 2,5 V cắt cụt: mã đầu ra của nó là ⌊Vin/LSB⌋ với 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Tìm mã đầu ra thập phân D cho đầu vào 2,2 V.

N = 8VFSR = 2,5 VVin = 2,2 V
D =
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó
T20 mV/°C×1∿01N = 12, 3,3 V? °C/LSB

Một cảm biến nhiệt độ cho 20 mV/°C (0 V tại 0 °C). Tín hiệu của nó được khuếch đại 1 lần và đưa vào một ADC 12 bit có dải từ 0 đến 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Tìm độ thay đổi nhiệt độ ΔTLSB ứng với một LSB.

S = 20 mV/°CG = 1N = 12VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
+−3 VR1​ = 300 ΩR2​ = 600 ΩR3​ = 250 ΩR4​ = 80 Ωab+−Rth​ = ?

Tìm điện trở Thévenin Rth của cầu hiển thị, nhìn từ các đầu ra a và b.

Vs = 3 VR1 = 300 ΩR2 = 600 ΩR3 = 250 ΩR4 = 80 Ω
Rth = Ω
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
+−V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−

Một cảm biến biến dạng 1000 Ω với hệ số cảm biến 2,12 được dán vào một thanh thép. Dưới tải, điện trở của nó tăng thêm 1,59 Ω. Tìm biến dạng ε theo microstrain (µε).

R = 1000 ΩGF = 2,12ΔR = 1,59 Ω
ε = µε
9.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
r(t) = 1t+Ks(s + 2)C(s)−

Một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = K/(s(s + 2)) phải bám theo tín hiệu dốc r(t) = 1t với sai số xác lập 0,2. Tìm độ lợi K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0,2
K =
10.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+K = 85s(s + 10)C(s)−

Một bộ điều khiển tỉ lệ K = 8 điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s(s + 10)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 8
ts = s
11.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)3?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 273/(s² + 6s + 91) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm độ vọt lố phần trăm %OS của đáp ứng bước.

G(s) = 273/(s² + 6s + 91)
%OS = %
12.Đáp ứng bướcKhó
k = 2000 N/mc = 200 N·s/mm = 20 kgF = 10 Nx(t)

Một vật khối lượng m = 20 kg treo trên lò xo k = 2000 N/m có bộ giảm chấn nhớt c = 200 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Ở trạng thái cân bằng đứng yên, một lực không đổi F = 10 N đột ngột được đặt vào. Tìm hệ số cản ζ.

m = 20 kgk = 2000 N/mc = 200 N·s/mF = 10 N
ζ =

3Dung dịch

1.Động cơ một chiều

Đáp số: η = 88,67 %

Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.

Các công suất

Pin = 240·20 = 4800 W
Pdev = 224·20 = 4480 W
Pout = 4480 − 224 = 4256 W

Hiệu suất

η = 4256/4800·100 = 88,67 %

Đáp số

η = 88,67 %
2.Động cơ một chiều

Đáp số: n2 = 1148 rpm

Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.

Sức điện động ngược trước và sau

E1 = 24 − 5·0,2 = 23 V
E2 = 24 − 10·0,2 = 22 V

Tốc độ mới

n2 = 1200·22/23 = 1148 rpm

Đáp số

n2 = 1148 rpm
3.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: n2 = 852,6 rpm

Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.

Tốc độ khi không trượt

1450·120/200 = 870 rpm

Khi có trượt

n2 = 870·0,98 = 852,6 rpm

Đáp số

n2 = 852,6 rpm
4.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: nc = 409,1 rpm

Bộ bánh răng hành tinh: tốc độ của bánh mặt trời, vành răng và cần dẫn liên hệ với nhau bởi phương trình Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: nhìn từ cần dẫn, bộ truyền là một hệ bánh răng thông thường với các bánh hành tinh là bánh trung gian. Giữ cố định một phần tử biến bộ truyền thành bộ giảm tốc có một tỉ số truyền.

Số răng của vành răng

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·24 = 68

Phương trình Willis khi vành răng cố định

Đặt nr = 0 và giải tìm tốc độ cần dẫn.

(1800 − nc)/(0 − nc) = −68/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1800·20/88 = 409,1 rpm

Đáp số

nc = 409,1 rpm

Cần dẫn quay cùng chiều với bánh mặt trời.

5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: D = 225

Độ phân giải ADC: một bộ chuyển đổi N bit chia dải toàn thang VFSR thành 2ᴺ mã, từ 0 đến 2ᴺ − 1. Một bước là 1 LSB = VFSR/2ᴺ: thay đổi nhỏ nhất mà bộ chuyển đổi có thể hiển thị. ADC cắt cụt cho mã ⌊Vin/LSB⌋; ADC làm tròn không bao giờ lệch quá ½ LSB so với giá trị thật, đó là sai số lượng tử hóa của nó. Mỗi bit thêm vào làm LSB giảm một nửa và thêm khoảng 6 dB vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa lý tưởng SQNR = 6,02·N + 1,76 dB cho sóng sin toàn thang. Để đạt độ phân giải r trên một khoảng, chọn N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/r.

Kích thước bước lượng tử

1 LSB = 2,5/28 = 9,766 mV

Mã

Vin/LSB = 2200/9,766 = 225,3
mã = ⌊225,3⌋ = 225

Đáp số

D = 225

Ở dạng nhị phân đó là 11100001.

6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: ΔTLSB = 0,04028 °C

Độ phân giải ADC: một bộ chuyển đổi N bit chia dải toàn thang VFSR thành 2ᴺ mã, từ 0 đến 2ᴺ − 1. Một bước là 1 LSB = VFSR/2ᴺ: thay đổi nhỏ nhất mà bộ chuyển đổi có thể hiển thị. ADC cắt cụt cho mã ⌊Vin/LSB⌋; ADC làm tròn không bao giờ lệch quá ½ LSB so với giá trị thật, đó là sai số lượng tử hóa của nó. Mỗi bit thêm vào làm LSB giảm một nửa và thêm khoảng 6 dB vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa lý tưởng SQNR = 6,02·N + 1,76 dB cho sóng sin toàn thang. Để đạt độ phân giải r trên một khoảng, chọn N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/r.

Kích thước bước lượng tử

1 LSB = 3300/4096 = 0,8057 mV

Độ nhạy tại ADC

20·1 = 20 mV/°C

Độ phân giải nhiệt độ

ΔTLSB = 0,8057/20 = 0,04028 °C

Đáp số

ΔTLSB = 0,04028 °C

ADC đạt toàn thang tại 165 °C.

7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: Rth = 260,6 Ω

Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn Vs. Bộ chia bên trái R1–R2 cho Va = Vs·R2/(R1 + R2) và bộ chia bên phải R3–R4 cho Vb = Vs·R4/(R3 + R4); đầu ra là Vab = Va − Vb. Cầu cân bằng (Vab = 0, không có dòng qua đồng hồ) khi R1/R2 = R3/R4, tức R1·R4 = R2·R3. Nhìn từ đầu ra, cầu là một nguồn Thévenin với Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Nguồn bị nối tắt

R₁∥R₂ = 300·600/900 = 200 Ω
R₃∥R₄ = 250·80/330 = 60,61 Ω

Điện trở Thévenin

Rth = 260,6 Ω

Đáp số

Rth = 260,6 Ω
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: ε = 750 µε

Cảm biến biến dạng (strain gauge): một cảm biến thay đổi điện trở theo biến dạng: ΔR/R = GF·ε, trong đó hệ số cảm biến GF khoảng 2 với lá kim loại. Trong cầu có mọi nhánh bằng R, một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư) cho Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho Vs·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho Vs·GF·ε. Ứng suất suy ra từ định luật Hooke, σ = E·ε. Các cảm biến lực (load cell) nêu độ nhạy theo mV/V: đầu ra ở đầy tải trên mỗi vôn kích thích.

Thay đổi điện trở tương đối

ΔR/R = 1,59/1000 = 0,00159

Biến dạng

ε = 0,00159/2,12 = 0,00075 = 750 µε

Đáp số

ε = 750 µε
9.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: K = 10

Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.

Hằng số vận tốc yêu cầu

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

Độ khuếch đại

K = 2·Kv = 10

Đáp số

K = 10

Một độ lợi lớn làm vòng này cản rất yếu: ζ = 0,3162. Mâu thuẫn đó là lý do dùng các bộ bù.

10.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: ts = 0,8 s

Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).

Đa thức đặc trưng

s(s + 10) + 8·5 = s² + 10s + 40

ωₙ và ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Thời gian xác lập

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Đáp số

ts = 0,8 s

Thời gian xác lập ở đây không phụ thuộc vào K: tăng K chỉ làm đáp ứng dao động nhanh hơn.

11.Đáp ứng bước

Đáp số: %OS = 35,32 %

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

So sánh với dạng chuẩn

Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 91 → ωₙ = 9,539 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,539) = 0,3145

Kết quả

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,041 = 35,32 %

Đáp số

%OS = 35,32 %
12.Đáp ứng bước

Đáp số: ζ = 0,5

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

Tần số riêng và hệ số tắt dần

ωₙ = √(k/m) = √(2000/20) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 200/(2·√(2000·20)) = 0,5

Kết quả

ζ = 0,5

Đáp số

ζ = 0,5

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems