Diskretizavimo uždaviniuose kiekvieną dažnį palyginkite su fs/2; aukštesnis dažnis pasirodo ties fa = |f − k·fs|, kai imamas artimiausias fs kartotinis.
Skiriamosios gebos uždaviniuose raskite 1 LSB = VFSR/2ᴺ arba mažiausią N, su kuriuo 2ᴺ ≥ ruožas/skiriamoji geba.
Duomenų spartos ir UART ryšio uždaviniuose suskaičiuokite viską, kas siunčiama: kanalus, atskaitas per sekundę, bitus ar sveikus baitus vienai atskaitai ir kiekvieno kadro starto, lyginumo ir stabdos bitus.
Taikykite ess = A/(1 + Kp), A/Kv arba A/Ka arba išspręskite jį reikiamam stiprinimui.
Slopinimo ar greičio reikalavimui užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir sulyginkite jį su s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Uždaviniai
1.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis
Nuolatinės srovės variklis (k = 2 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) maitinamas 240 V. Pilna apkrova jis vartoja 40 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 40 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis, maitinamas 48 V (Ra = 1,2 Ω), sukasi 1500 aps./min, kai inkaro srovė yra 4 A. Apkrova pasikeičia ir srovė tampa 6 A, o magnetinis laukas nekinta. Raskite naująjį greitį n2.
V = 48 VRa = 1,2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 4 AIa2 = 6 A
n2 = rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
7,5 kW variklis, besisukantis 960 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 24; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 60. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 98 %. Raskite sukimo momentą T1 variklio velene.
P = 7,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 60η = 98%
T1 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 160 mm ir 315 mm skriemulius, kurių ašys nutolusios 800 mm. Raskite apkabos kampą θ ant mažesniojo skriemulio laipsniais.
d1 = 160 mmd2 = 315 mmC = 800 mm
θ = °
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
40 kHz sinusinė banga diskretizuojama 50 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Kokiu dažniu fa ji pasirodo atskaitose? Pateikite kHz.
f = 40 kHzfs = 50 kHz
fa = kHz
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 20 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 20 karto ir paduodamas į 12 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 20 mV/°CG = 20N = 12VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 6 V) prijungtas 100 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 10 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,1, o deformacija 800 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 10 VGF = 2,1ε = 800 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10)), paduodama rampa r(t) = 4t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 4t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 2/(s + 4) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 8 rad/s ir ζ = 0,5. Raskite proporcinį stiprinimą Kp.
G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 234/(s² + 14s + 78), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 234/(s² + 14s + 78)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 70/(s(s + 5)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 70/(s(s + 5))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 3,448 %
Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.
Tuščiosios eigos ir pilnos apkrovos greitis
n₀ = 60·240/(2π·2) = 1146 rpm
nFL = 60·(240 − 40·0,2)/(2π·2) = 1108 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (1146 − 1108)/1108·100 = 3,448 %
Atsakymas
SR = 3,448 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n2 = 1417 rpm
Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.
Priešelektrovara prieš ir po
E1 = 48 − 4·1,2 = 43,2 V
E2 = 48 − 6·1,2 = 40,8 V
Naujasis greitis
n2 = 1500·40,8/43,2 = 1417 rpm
Atsakymas
n2 = 1417 rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T1 = 74,6 N·m
Krumpliaratinės pavaros: sukibusių krumpliaračių dantų greitis vienodas, todėl n₁·N₁ = n₂·N₂: krumpliaratis su mažiau dantų sukasi greičiau. Ant vieno veleno esantys krumpliaračiai sukasi vienodu greičiu. Galia perduodama toliau (atėmus nuostolius), todėl mažėjant sukimosi greičiui sukimo momentas didėja: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, o P = T·ω, kur ω = 2π·n/60.
Variklio sukimo momentas
ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/100,5 = 74,6 N·m
Atsakymas
T1 = 74,6 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: θ = 168,9 °
Diržinės pavaros: be slydimo abiejų skriemulių lanko greitis vienodas, v = π·d·n/60, todėl n₁·d₁ = n₂·d₂, o greičių santykis yra d₂/d₁. Slydimas s varomąjį skriemulį šiek tiek sulėtina: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Perduodama galia P = (T₁ − T₂)·v, kai T₁ yra įtemptosios, o T₂ – laisvosios šakos įtempimas. Trintis riboja įtempimų santykį: T₁/T₂ = eμθ, kai θ yra apkabos kampas radianais ant mažesniojo skriemulio; atviram diržui θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), kai ašių atstumas C.
Diržo kampas
asin(0,09688) = 5,559°
Apkabos kampas
θ = 180 − 2·5,559 = 168,9°
Atsakymas
θ = 168,9°
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 10 kHz
Diskretizavimas: ADC signalą matuoja fs kartų per sekundę. Pagal Naikvisto ir Šenono teoremą dažnis f užfiksuojamas teisingai tik kol f < fs/2, Naikvisto (atspindžio) dažnis, todėl diskretizavimo dažnis turi viršyti dvigubą aukščiausią signalo dažnį. Aukštesnis dažnis neprarandamas: jis pasirodo kaip persiklojimo dažnis fa = |f − k·fs|, kai sveikasis k rezultatą perkelia į ruožą nuo 0 iki fs/2. Atskaitos jų atskirti negali, todėl analoginis antipersiklojimo filtras prieš ADC turi pašalinti viską, kas didesnė už fs/2.
Naikvisto dažnis
fs/2 = 25 kHz < f = 40 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
k = round(40/50) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |40 − 1·50| = 10 kHz
Atsakymas
fa = 10 kHz
Brūkšninė kreivė paveiksle yra persiklojimo dažnis: ji eina per lygiai tas pačias atskaitas.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,003052 °C
ADC skiriamoji geba: N bitų keitiklis pilnos skalės ruožą VFSR padalija į 2ᴺ kodų – nuo 0 iki 2ᴺ − 1. Vienas žingsnis yra 1 LSB = VFSR/2ᴺ: mažiausias pokytis, kurį keitiklis gali parodyti. Nupjaunantis ADC duoda kodą ⌊Vin/LSB⌋; apvalinantis ADC nuo tikrosios vertės niekada nenukrypsta daugiau kaip ½ LSB – tai jo kvantavimo paklaida. Kiekvienas papildomas bitas perpus sumažina LSB ir maždaug 6 dB padidina idealų signalo ir kvantavimo triukšmo santykį SQNR = 6,02·N + 1,76 dB pilnos skalės sinusui. Norėdami pasiekti skiriamąją gebą r per ruožą, rinkitės mažiausią N, su kuriuo 2ᴺ ≥ ruožas/r.
Žingsnio dydis
1 LSB = 5000/4096 = 1,221 mV
Jautris ties ADC
20·20 = 400 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 1,221/400 = 0,003052 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,003052 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 12,5 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = −25367 µA
Vitstouno tiltas: du įtampos dalikliai maitinami iš to paties šaltinio Vs. Kairysis daliklis R1–R2 duoda Va = Vs·R2/(R1 + R2), o dešinysis daliklis R3–R4 duoda Vb = Vs·R4/(R3 + R4); išėjimas yra Vab = Va − Vb. Tiltas yra subalansuotas (Vab = 0, prietaisu srovė neteka), kai R1/R2 = R3/R4, t. y. R1·R4 = R2·R3. Žiūrint nuo išėjimo, tiltas yra Tevenino šaltinis, kurio Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Tevenino įtampa
Vth = 6·(10/70 − 250/310) = −3,982 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 56,96 Ω
Galvanometro srovė
Ig = −3,982/(56,96 + 100) = −25367 µA
Atsakymas
Ig = −25367 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 8,4 mV
Tenzojutikliai: jutiklio varža kinta kartu su deformacija: ΔR/R = GF·ε, kur tenzojautrumo koeficientas GF metalinei folijai yra apie 2. Tilte, kurio visos svirtys lygios R, vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas) duoda Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Du aktyvūs jutikliai su priešingomis deformacijomis gretimose svirtyse (pustiltis) duoda Vs·GF·ε/2, o keturi (pilnas tiltas) – Vs·GF·ε. Įtempis gaunamas iš Huko dėsnio, σ = E·ε. Apkrovos jutikliai savo jautrį nurodo mV/V: išėjimas esant pilnai apkrovai vienam žadinimo voltui.
Santykinis varžos pokytis
ΔR/R = 2,1·800·10⁻⁶ = 0,00168
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,00168/2 = 8,4 mV
Atsakymas
Vo = 8,4 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 26,67
Nusistovėjusioji paklaida: vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre, kurio atvirojo kontūro perdavimo funkcija yra G(s), paklaida yra E(s) = R(s)/(1 + G(s)), o pagal galutinės reikšmės teoremą ess = lims→0 s·E(s). Sistemos tipas yra G(s) polių ties s = 0 skaičius. Paklaidos konstantos yra Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ir Ka = lim s²·G(s), visos kai s → 0. A dydžio šuolis duoda ess = A/(1 + Kp), rampa A·t duoda A/Kv, o parabolė A·t²/2 duoda A/Ka. 0 tipo kontūras šuolį seka su baigtine paklaida, 1 tipo kontūras seka jį tiksliai, o rampą – su baigtine paklaida.
Greičio konstanta
Kv = lim s·G(s) = 0,15
Rampos paklaida
ess = 4/0,15 = 26,67
Atsakymas
ess = 26,67
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kp = 2
P, PI ir PID valdymas: reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s veikia pagal paklaidą. Proporcinis stiprinimas pagreitina kontūrą ir sumažina 0 tipo objekto paklaidą, bet niekada jos nepanaikina. Integralinis narys prideda polių ties s = 0: sistemos tipas padidėja vienetu, o šuolis seka be paklaidos. Diferencialinis narys prideda slopinimo. Norėdami parinkti stiprinimus, užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir palyginkite jį su s² + 2ζωns + ωn². Tuomet %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, kur ωd = ωn√(1 − ζ²), o ts ≈ 4/(ζωn).
Charakteristinis daugianaris
1 + C(s)G(s) = 0, padauginta iš s(s + 4).
s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,5·8s + 8² = s² + 8s + 64
Sulyginkite koeficientus
4 + 2Kp = 8 → Kp = 2
Atsakymas
Kp = 2
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 0,5714 s
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·8,832) = 0,7926
Rezultatas
ζωₙ = 7 → ts ≈ 4/7 = 0,5714 s
Atsakymas
ts = 0,5714 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1,6 s
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).