लिख लें कि क्या दिया है: प्रतिदर्श दर, संकेत आवृत्तियाँ, बिट संख्या, निवेश परिसर, बॉड दर।
प्रतिचयन के प्रश्नों में हर आवृत्ति की तुलना fs/2 से करें; इससे ऊँची आवृत्ति fa = |f − k·fs| पर दिखती है, जहाँ fs का निकटतम गुणज लिया जाता है।
वियोजन के प्रश्नों में 1 LSB = VFSR/2ᴺ ज्ञात करें, या सबसे छोटा N ज्ञात करें जिसके लिए 2ᴺ ≥ विस्तार/वियोजन हो।
डेटा दर और UART लिंक के लिए वह सब गिनें जो भेजा जाता है: चैनल, प्रति सेकंड प्रतिदर्श, प्रति प्रतिदर्श बिट या पूरे बाइट, और हर फ़्रेम के स्टार्ट, पैरिटी और स्टॉप बिट।
व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज
विभाजक वोल्टताएँ
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
निर्गम
Vab = Va − Vb
संतुलन
R1/R2 = R3/R4
स्लाइड-तार सेतु
R/Rx = l/(100 − l)
थेवेनिन प्रतिरोध
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
गेज गुणांक
ΔR/R = GF·ε
सेतु निर्गत
चतुर्थांश Vs·GF·ε/4, अर्ध Vs·GF·ε/2, पूर्ण Vs·GF·ε
छोटा परिवर्तन, एक भुजा
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
प्रतिबल
σ = E·ε
विधि
सेतु को एक ही आपूर्ति के पार दो वोल्टता विभाजक मानिए।
संतुलन के लिए R₁/R₂ = R₃/R₄ रखिए और अज्ञात प्रतिरोधक के लिए हल कीजिए।
असंतुलित सेतु के लिए विभाजकों से Va और Vb निकालकर घटाइए; जब कोई मापी निर्गत पर भार डाले तब थेवेनिन तुल्य का उपयोग कीजिए।
स्ट्रेन गेज के लिए विकृति को ΔR/R = GF·ε में बदलिए और चतुर्थांश, अर्ध या पूर्ण सेतु के लिए क्रमशः Vs·GF·ε/4, /2 या ×1 का उपयोग कीजिए।
स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण
तंत्र प्रकार
G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या
त्रुटि स्थिरांक
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A
ess = A/(1 + Kp)
रैंप A·t
ess = A/Kv
परवलय A·t²/2
ess = A/Ka
PID नियंत्रक
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य
s² + 2ζωns + ωn²
अतिलंघन और समय
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
विधि
विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए Kp, रैंप के लिए Kv, परवलय के लिए Ka।
ess = A/(1 + Kp), A/Kv या A/Ka लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
अवमंदन या चाल के विनिर्देश के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसे s² + 2ζω_n·s + ω_n² से मिलाइए।
2अभ्यास प्रश्न
1.DC मोटरेंमध्यम
k = 1.2 N·m/A और Ra = 1.2 Ω वाली एक DC मोटर 220 V से जुड़ी है। इसका रुद्ध बल-आघूर्ण Tstall, यानी शून्य चाल पर बल-आघूर्ण, ज्ञात कीजिए।
V = 220 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1.2 Ω
Tstall = N·m
2.DC मोटरेंकठिन
k = 0.6 V·s/rad और Ra = 0.8 Ω वाली एक DC मोटर को 500 rpm पर 15 N·m का भार चलाना है। इसके लिए आवश्यक आर्मेचर वोल्टता V ज्ञात कीजिए।
k = 0.6 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 15 N·mn = 500 rpm
V = V
3.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
दो समांतर शाफ़्ट 144 mm दूर हैं। इन्हें 2 mm मॉड्यूल और 5 : 1 चाल अपचयन वाले स्पर गियरों की एक जोड़ी से जोड़ना है। गियर में कितने दाँत N2 होने चाहिए?
a = 144 mmm = 2 mmi = 5
N2 =
4.गियर और गियर ट्रेनकठिन
एक खुला पट्टा 125 mm की घिरनी और 200 mm की घिरनी को जोड़ता है, जिनके केंद्र 800 mm दूर हैं। छोटी घिरनी पर लपेट कोण θ डिग्री में ज्ञात कीजिए।
d1 = 125 mmd2 = 200 mmC = 800 mm
θ = °
5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनमध्यम
एक UART 9600 बॉड पर प्रारूप 8N1 में बाइट भेजता है: 8 डेटा बिट, कोई पैरिटी नहीं और 1 स्टॉप बिट, साथ में स्टार्ट बिट। वह प्रति सेकंड अधिकतम कितने डेटा बाइट अंतरित कर सकता है, ज्ञात कीजिए।
baud = 9600 Bd8N1
RB = B/s
6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयनकठिन
एक 4-चैनल मल्टीप्लेक्सर एक ADC को निवेश देता है। हर रूपांतरण में 8 µs लगते हैं, और हर चैनल बदलने के बाद निवेश को स्थिर होने में 2.5 µs चाहिए। चैनलों को बिना रुके बारी-बारी से स्कैन किया जाता है। हर चैनल की प्रतिदर्श दर fs kHz में ज्ञात कीजिए।
n = 4tc = 8 µstset = 2.5 µs
fs = kHz
7.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजमध्यम
चार 250 Ω भुजाओं वाले एक सेतु को 2 V दिया गया है। संवेदक R₂ बदलने पर निर्गत Vab = 47.62 mV पढ़ता है। R₂ का यथार्थ परिवर्तन ΔR ज्ञात कीजिए।
Vs = 2 VR = 250 ΩVab = 47.62 mV
ΔR = Ω
8.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेजकठिन
गेज गुणांक 2.05 वाला एक 120 Ω स्ट्रेन गेज इस्पात की छड़ से चिपकाया गया है। भार के अंतर्गत इसका प्रतिरोध 0.0984 Ω बढ़ जाता है। माइक्रोस्ट्रेन (µε) में विकृति ε ज्ञात कीजिए।
R = 120 ΩGF = 2.05ΔR = 0.0984 Ω
ε = µε
9.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
G(s) = K/(s(s + 1)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप को रैंप r(t) = 5t का अनुसरण 0.1 की स्थायी-अवस्था त्रुटि के साथ करना है। लब्धि K ज्ञात कीजिए।
G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 5tess = 0.1
K =
10.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
एक आनुपातिक नियंत्रक K = 10 संयंत्र G(s) = 4/(s(s + 8)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। सोपान अनुक्रिया का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।
G(s) = 4/(s(s + 8))K = 10
%OS = %
11.सोपान अनुक्रियामध्यम
एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 20/(s² + 3s + 10) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।
G(s) = 20/(s² + 3s + 10)
%OS = %
12.सोपान अनुक्रियाकठिन
एक द्रव्यमान m = 8 kg एक स्प्रिंग k = 1000 N/m पर एक श्यान अवमंदक c = 89 N·s/m के साथ लटका है (m·x″ + c·x′ + k·x = F)। संतुलन में विराम की अवस्था में अचानक एक स्थिर बल F = 20 N लगाया जाता है। सबसे बड़ा विस्थापन xmax mm में ज्ञात कीजिए।
m = 8 kgk = 1000 N/mc = 89 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
3विलयन
1.DC मोटरें
उत्तर: Tstall = 220 N·m
DC मोटर: आर्मेचर प्रतिरोध Ra है जो back-EMF E के श्रेणीक्रम में है, इसलिए V = E + Ia·Ra। back-EMF चाल के साथ बढ़ता है, E = k·ω, और बल-आघूर्ण धारा के साथ, T = k·Ia, दोनों में एक ही मोटर स्थिरांक k (SI इकाइयों में V·s/rad = N·m/A) होता है। चाल को ω = 2π·n/60 से बदलिए। विकसित शक्ति E·Ia = T·ω है; निवेश शक्ति V·Ia है, और ताम्र हानि Ia²Ra तथा घूर्णन हानि इनका अंतर बनाती हैं। चाल बल-आघूर्ण के साथ सरल रेखा में घटती है, ω = V/k − Ra·T/k², अनिरोध चाल V/k से शून्य तक, जो रुद्ध बल-आघूर्ण k·V/Ra पर होती है। विराम अवस्था में E = 0 होता है, इसलिए प्रारंभिक धारा V/Ra बड़ी होती है, जब तक कोई प्रतिरोध उसे सीमित न करे।
रुद्ध धारा
Ia = V/Ra = 220/1.2 = 183.3 A
रुद्ध बल-आघूर्ण
Tstall = 1.2·183.3 = 220 N·m
उत्तर
Tstall = 220 N·m
2.DC मोटरें
उत्तर: V = 51.42 V
DC मोटर: आर्मेचर प्रतिरोध Ra है जो back-EMF E के श्रेणीक्रम में है, इसलिए V = E + Ia·Ra। back-EMF चाल के साथ बढ़ता है, E = k·ω, और बल-आघूर्ण धारा के साथ, T = k·Ia, दोनों में एक ही मोटर स्थिरांक k (SI इकाइयों में V·s/rad = N·m/A) होता है। चाल को ω = 2π·n/60 से बदलिए। विकसित शक्ति E·Ia = T·ω है; निवेश शक्ति V·Ia है, और ताम्र हानि Ia²Ra तथा घूर्णन हानि इनका अंतर बनाती हैं। चाल बल-आघूर्ण के साथ सरल रेखा में घटती है, ω = V/k − Ra·T/k², अनिरोध चाल V/k से शून्य तक, जो रुद्ध बल-आघूर्ण k·V/Ra पर होती है। विराम अवस्था में E = 0 होता है, इसलिए प्रारंभिक धारा V/Ra बड़ी होती है, जब तक कोई प्रतिरोध उसे सीमित न करे।
Back-EMF
E = 0.6·52.36 = 31.42 V
आर्मेचर धारा
Ia = 15/0.6 = 25 A
आर्मेचर वोल्टता
V = 31.42 + 25·0.8 = 51.42 V
उत्तर
V = 51.42 V
3.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: N2 = 120
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
दाँतों की कुल संख्या
N1 + N2 = 2a/m = 2·144/2 = 144
अनुपात से बाँटें
N1 = 144/(1 + 5) = 24
N2 = 5·24 = 120
उत्तर
N2 = 120
4.गियर और गियर ट्रेन
उत्तर: θ = 174.6 °
पट्टा चालन: फिसलन के बिना दोनों घिरनियों की कोर की चाल समान होती है v = π·d·n/60, इसलिए n₁·d₁ = n₂·d₂ और गति अनुपात d₂/d₁ है। फिसलन s चालित घिरनी को थोड़ा धीमा कर देती है: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)। संचरित शक्ति P = (T₁ − T₂)·v है, जहाँ T₁ कसी हुई ओर का तनाव और T₂ ढीली ओर का। घर्षण तनावों के अनुपात को सीमित करता है: T₁/T₂ = eμθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।
पट्टे का कोण
asin(0.04688) = 2.687°
लपेट कोण
θ = 180 − 2·2.687 = 174.6°
उत्तर
θ = 174.6°
5.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन
उत्तर: RB = 960 B/s
UART: अतुल्यकालिक सीरियल लिंक हर बाइट को एक फ़्रेम के रूप में भेजता है: एक स्टार्ट बिट (निम्न), डेटा बिट, एक वैकल्पिक पैरिटी बिट और एक या दो स्टॉप बिट (उच्च)। बॉड दर प्रति सेकंड बिटों की संख्या है, इसलिए एक बिट Tb = 1/बॉड चलता है और n बिट का फ़्रेम n/बॉड चलता है। प्रचलित 8N1 प्रारूप में प्रति बाइट 10 बिट होते हैं। बॉड जनरेटर क्लॉक को विभाजित करता है: बॉड = fclk/(16·D), जहाँ D पूर्ण संख्या है, इसलिए वास्तविक बॉड दर लक्ष्य से थोड़ी भिन्न होती है; लगभग 2 % से कम त्रुटि आमतौर पर स्वीकार्य है।
प्रति फ़्रेम बिट
1 + 8 + 0 + 1 = 10
बाइट दर
9600/10 = 960 B/s
उत्तर
RB = 960 B/s
6.डेटा अधिग्रहण और प्रतिचयन
उत्तर: fs = 23.81 kHz
डेटा दरें: हर चैनल प्रति सेकंड N बिट के fs प्रतिदर्श देता है, इसलिए कच्ची दर चैनल × fs × N bit/s है। मेमोरी में एक प्रतिदर्श पूरे बाइट लेता है (12-बिट प्रतिदर्श 2 बाइट में सहेजा जाता है), इसलिए किसी रिकॉर्डिंग की मेमोरी चैनल × fs × प्रति प्रतिदर्श बाइट × समय है। मल्टीप्लेक्स्ड ADC चैनलों को एक के बाद एक रूपांतरित करता है: हर रूपांतरण (स्थिरीकरण सहित) में समय t लगता है, इसलिए n चैनलों का एक चक्कर n·t लेता है और हर चैनल 1/(n·t) पर प्रतिदर्शित होता है।
प्रति चैनल समय
8 + 2.5 = 10.5 µs
प्रति स्कैन समय
4·10.5 = 42 µs
प्रति चैनल प्रतिदर्श दर
fs = 1/42 µs = 23.81 kHz
उत्तर
fs = 23.81 kHz
7.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज
उत्तर: ΔR = 25 Ω
व्हीटस्टोन सेतु: दो वोल्टता विभाजक एक ही आपूर्ति Vs साझा करते हैं। बायाँ विभाजक R1–R2 Va = Vs·R2/(R1 + R2) देता है और दायाँ विभाजक R3–R4 Vb = Vs·R4/(R3 + R4) देता है; निर्गत Vab = Va − Vb है। सेतु संतुलित (Vab = 0, मापी में कोई धारा नहीं) तब होता है जब R1/R2 = R3/R4, यानी R1·R4 = R2·R3। निर्गत के सिरों से देखने पर सेतु एक थेवेनिन स्रोत है जिसमें Rth = R1∥R2 + R3∥R4।
नोड वोल्टता
Va = 1 + 0.04762 = 1.048 V
विभाजक हल कीजिए
R₂ = 250·1.048/(2 − 1.048) = 275 Ω
ΔR = 275 − 250 = 25 Ω
उत्तर
ΔR = 25 Ω
8.व्हीटस्टोन सेतु और स्ट्रेन गेज
उत्तर: ε = 400 µε
स्ट्रेन गेज: गेज विकृति के साथ अपना प्रतिरोध बदलता है: ΔR/R = GF·ε, जहाँ धात्विक फ़ॉइल के लिए गेज गुणांक GF लगभग 2 होता है। सभी भुजाएँ R के बराबर वाले सेतु में एक सक्रिय गेज (चतुर्थांश सेतु) Vo ≈ Vs·GF·ε/4 देता है। आसन्न भुजाओं में विपरीत विकृति वाले दो सक्रिय गेज (अर्ध सेतु) Vs·GF·ε/2 देते हैं, और चार (पूर्ण सेतु) Vs·GF·ε देते हैं। प्रतिबल हुक के नियम से मिलता है, σ = E·ε। लोड सेल अपनी संवेदनशीलता mV/V में बताते हैं: प्रति वोल्ट उत्तेजन पर पूर्ण भार पर निर्गत।
सापेक्ष प्रतिरोध परिवर्तन
ΔR/R = 0.0984/120 = 0.00082
विकृति
ε = 0.00082/2.05 = 0.0004 = 400 µε
उत्तर
ε = 400 µε
9.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण
उत्तर: K = 50
स्थायी-अवस्था त्रुटि: विवृत-लूप अंतरण फलन G(s) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप में त्रुटि E(s) = R(s)/(1 + G(s)) होती है, और अंतिम मान प्रमेय से ess = lims→0 s·E(s)। तंत्र का प्रकार G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या है। त्रुटि स्थिरांक Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) और Ka = lim s²·G(s) हैं, सभी s → 0 के लिए। आकार A का सोपान ess = A/(1 + Kp) देता है, रैंप A·t से A/Kv और परवलय A·t²/2 से A/Ka मिलता है। प्रकार-0 लूप सोपान का अनुसरण परिमित त्रुटि के साथ करता है, जबकि प्रकार-1 लूप उसका अनुसरण पूरी तरह करता है और रैंप का परिमित त्रुटि के साथ।
आवश्यक वेग स्थिरांक
Kv = A/ess = 5/0.1 = 50
लब्धि
K = 1·Kv = 50
उत्तर
K = 50
बड़ी लब्धि इस लूप को बहुत हल्का अवमंदित बना देती है: ζ = 0.07071। इसी विरोध के कारण क्षतिपूरक (कम्पेन्सेटर) उपयोग किए जाते हैं।
10.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण
उत्तर: %OS = 7.691 %
P, PI और PID नियंत्रण: नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s त्रुटि पर कार्य करता है। आनुपातिक लब्धि लूप को तेज़ बनाती है और प्रकार-0 संयंत्र की त्रुटि घटाती है, पर उसे कभी समाप्त नहीं करती। समाकल पद s = 0 पर एक ध्रुव जोड़ता है: तंत्र का प्रकार एक बढ़ जाता है, और सोपान का अनुसरण बिना त्रुटि के होता है। अवकल पद अवमंदन जोड़ता है। लब्धियाँ चुनने के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसकी तुलना s² + 2ζωns + ωn² से कीजिए। तब %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, जहाँ ωd = ωn√(1 − ζ²), और ts ≈ 4/(ζωn)।
अभिलाक्षणिक बहुपद
s(s + 8) + 10·4 = s² + 8s + 40
ωₙ और ζ
ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325
अतिलंघन
%OS = 100·e−0.6325π/√(1 − 0.6325²) = 7.691 %
उत्तर
%OS = 7.691 %
11.सोपान अनुक्रिया
उत्तर: %OS = 18.4 %
सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।
मानक रूप से तुलना करें
हर s² + 2ζωₙs + ωₙ² से मेल खाना चाहिए।
ωₙ² = 10 → ωₙ = 3.162 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.162) = 0.4743
परिणाम
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.693 = 18.4 %
उत्तर
%OS = 18.4 %
12.सोपान अनुक्रिया
उत्तर: xmax = 23.3 mm
सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।