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
+−120 VRa​ = 1,5 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

Một động cơ một chiều lấy 5 A từ nguồn 120 V. Điện trở phần ứng của nó là 1,5 Ω và các tổn thất quay (ma sát, cản gió và sắt từ) là 23 W. Tìm hiệu suất η của nó.

V = 120 VIa = 5 ARa = 1,5 ΩProt = 23 W
η = %
2.Động cơ một chiềuKhó
+−240 VD = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 500 rpmT = 60 N·m

Một bộ băm xung một chiều cấp cho một động cơ (k = 2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) từ thanh cái một chiều 240 V. Điện áp phần ứng trung bình là D·240 V. Tìm chu kỳ làm việc D để động cơ chạy ở 500 rpm với tải 60 N·m.

Vdc = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 60 N·mn = 500 rpm
D = %
3.Bánh răng và hệ bánh răngTrung bình
N1​ = 15N2​ = 48

Một động cơ 7,5 kW chạy ở 1450 rpm dẫn động một bánh răng nhỏ có 15 răng, ăn khớp với một bánh răng có 48 răng. Cặp bánh răng có hiệu suất 96%. Tìm mômen xoắn ra T2 trên trục bánh răng.

P = 7,5 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 48η = 96%
T2 = N·m
4.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm1440 rpmC = 1200 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Một dây đai hở nối puli dẫn 120 mm ở 1440 vòng/phút với puli 450 mm; tâm cách nhau 1200 mm. Hệ số ma sát là 0,3 và lực căng nhánh căng không được vượt quá 1500 N. Tìm công suất lớn nhất P mà dây đai có thể truyền mà không trượt, theo kW (bỏ qua hiệu ứng ly tâm).

d1 = 120 mmn1 = 1440 rpmd2 = 450 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 1500 N
P = kW
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​11·Tb​1200 Bd, 8N2

Một UART gửi các byte ở 1200 baud theo định dạng 8N2: 8 bit dữ liệu, không có bit chẵn lẻ và 2 bit dừng, cộng với bit khởi đầu. Tìm số byte dữ liệu lớn nhất mà nó có thể truyền mỗi giây.

baud = 1200 Bd8N2
RB = B/s
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​16 MHz / (16·D)

Một vi điều khiển có xung nhịp 16 MHz đặt tốc độ baud UART là fclk/(16·D), với D là số nguyên được làm tròn đến giá trị gần nhất. Mục tiêu là 57600 baud. Tìm sai số phần trăm của tốc độ baud thực (dương khi nó quá nhanh).

fclk = 16 MHzmục tiêu = 57600 Bd
e = %
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
+−9 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−88,24 mV

Một cầu có bốn nhánh 1000 Ω được cấp 9 V. Khi cảm biến R₂ thay đổi, đầu ra chỉ Vab = 88,24 mV. Tìm độ thay đổi chính xác ΔR của R₂.

Vs = 9 VR = 1000 ΩVab = 88,24 mV
ΔR = Ω
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Một cầu có các nhánh 120 Ω được kích thích bằng 10 V và có một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư). Hệ số cảm biến là 2,12 và biến dạng là 400 µε. Tìm đầu ra của cầu Vo theo mV.

Vs = 10 VGF = 2,12ε = 400 µε
Vo = mV
9.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

Một vòng phản hồi đơn vị có G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Tìm độ lợi K cho sai số xác lập 4 % với đầu vào bước nhảy.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 4 %
K =
10.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+25 + Kd​s1s(s + 1)C(s)−

Một bộ điều khiển PD C(s) = 25 + Kd·s điều khiển đối tượng G(s) = 1/(s(s + 1)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm độ lợi vi phân Kd cho vòng kín có tỷ số cản ζ = 0,9.

G(s) = 1/(s(s + 1))Kp = 25ζ = 0,9
Kd = s
11.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)3?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 123/(s² + 7s + 41) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm độ vọt lố phần trăm %OS của đáp ứng bước.

G(s) = 123/(s² + 7s + 41)
%OS = %
12.Đáp ứng bướcKhó
+−5 VR = 126 ΩL = 50 mHC = 2 µFvC​

Một mạch RLC nối tiếp với R = 126 Ω, L = 50 mH và C = 2 µF được nối với nguồn bước nhảy 5 V tại t = 0. Tụ điện chưa tích điện và không có dòng điện chạy trước bước nhảy. Tìm độ vọt lố phần trăm %OS của điện áp tụ điện.

R = 126 ΩL = 50 mHC = 2 µFV = 5 V
%OS = %

3Dung dịch

1.Động cơ một chiều

Đáp số: η = 89,92 %

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 = 120·5 = 600 W
Pdev = 112,5·5 = 562,5 W
Pout = 562,5 − 23 = 539,5 W

Hiệu suất

η = 539,5/600·100 = 89,92 %

Đáp số

η = 89,92 %
2.Động cơ một chiều

Đáp số: D = 46,76 %

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.

Điện áp phần ứng yêu cầu

Va = 2·52,36 + 30·0,25 = 112,2 V

Chu kỳ làm việc

D = 112,2/240 = 46,76 %

Đáp số

D = 46,76 %
3.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: T2 = 151,7 N·m

Hệ bánh răng: các bánh răng ăn khớp có cùng tốc độ tại răng, nên n₁·N₁ = n₂·N₂: bánh răng có ít răng hơn quay nhanh hơn. Các bánh răng trên cùng một trục quay cùng tốc độ. Công suất được truyền đi (trừ tổn thất), nên mômen xoắn tăng khi tốc độ giảm: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, và P = T·ω với ω = 2π·n/60.

Mômen xoắn động cơ

ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/151,8 = 49,39 N·m

Mômen xoắn ra

T2 = 49,39·48/15·0,96 = 151,7 N·m

Đáp số

T2 = 151,7 N·m
4.Bánh răng và hệ bánh răng

Đáp số: P = 7,827 kW

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.

Góc ôm

θ = 2,866 rad

Lực căng nhánh chùng

eμθ = e0,8597 = 2,362, T₂ = 1500/2,362 = 634,9 N

Công suất

P = (1500 − 634,9)·9,048 = 7,827 kW

Đáp số

P = 7,827 kW
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: RB = 109,1 B/s

UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài Tb = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = fclk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.

Số bit mỗi khung

1 + 8 + 0 + 2 = 11

Tốc độ byte

1200/11 = 109,1 B/s

Đáp số

RB = 109,1 B/s
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: e = 2,124 %

UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài Tb = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = fclk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.

Bộ chia

D = 16·10⁶/(16·57600) = 17,36 → 17

Tốc độ baud thực

16·10⁶/(16·17) = 58824 Bd

Sai số

(58824 − 57600)/57600·100 = 2,124 %

Đáp số

e = 2,124 %

Sai số trên khoảng 2 % làm đường truyền không đáng tin cậy: hãy chọn xung nhịp hoặc tốc độ baud khác.

7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: ΔR = 40 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.

Điện áp nút

Va = 4,5 + 0,08824 = 4,588 V

Giải bộ chia áp

R₂ = 1000·4,588/(9 − 4,588) = 1040 Ω
ΔR = 1040 − 1000 = 40 Ω

Đáp số

ΔR = 40 Ω
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: Vo = 2,12 mV

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 = 2,12·400·10⁻⁶ = 0,000848

Đầu ra của cầu

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,000848/4 = 2,12 mV

Đáp số

Vo = 2,12 mV
9.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: K = 48

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 sai số yêu cầu

1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24

Độ khuếch đại

K/2 = 24 → K = 48

Đáp số

K = 48

Cũng hãy kiểm tra sự ổn định của vòng kín: với vòng bậc hai này mọi K > 0 đều ổn định.

10.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: Kd = 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 + 1) + 1(25 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 25

Tần số riêng

ωₙ = √25 = 5 rad/s

Độ lợi vi phân

1 + 1Kd = 2·0,9·5 = 9
Kd = 8 s

Đáp số

Kd = 8 s

Thành phần vi phân thêm sự cản mà không làm đổi ωₙ.

11.Đáp ứng bước

Đáp số: %OS = 12,86 %

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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6,403) = 0,5466

Kết quả

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,051 = 12,86 %

Đáp số

%OS = 12,86 %
12.Đáp ứng bước

Đáp số: %OS = 25,54 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (126/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,05) = 0,3984

Kết quả

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25,54 %

Đáp số

%OS = 25,54 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems