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, kurio k = 0,5 V·s/rad, maitinamas 120 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 120 Vk = 0,5 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,25 V·s/rad, Ra = 1 Ω) iš 48 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·48 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 600 aps./min, kai apkrova yra 0,5 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
160 mm skriemulys sukasi 1440 rpm ir diržu suka 300 mm skriemulį, slydimas 1 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 1440 rpmd1 = 160 mmd2 = 300 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (32 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1450 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (45 dantų). Krumpliaratis C (25 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (60 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1450 rpmA = 32B = 45C = 25D = 60
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
Registratorius diskretizuoja 8 kanalus po 10 kHz 10 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 1 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 8fs = 10 kHzN = 10t = 1 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 10 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 2,5 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 10 mV/°CG = 2,5N = 8VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Raskite pavaizduoto tilto Tevenino varžą Rth, žiūrint nuo išėjimo gnybtų a ir b.
Vs = 15 VR1 = 150 ΩR2 = 50 ΩR3 = 200 ΩR4 = 600 Ω
Rth = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 2,5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,05, o deformacija 1000 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 2,5 VGF = 2,05ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 10)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 10·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 20(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = 1 + 4/s valdo objektą G(s) = 2/((s + 2)(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess, kai įėjimas yra rampa r(t) = 5t.
C(s) = 1 + 4/sG(s) = 2/((s + 2)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 7/(s² + 4s + 7), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 7/(s² + 4s + 7)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija turi turėti 10 % viršijimą. Raskite slopinimo koeficientą ζ.
%OS = 10 %
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 2292 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.
Tuščiosios eigos greitis
ω₀ = V/k = 120/0,5 = 240 rad/s
n0 = 60·240/(2π) = 2292 rpm
Atsakymas
n0 = 2292 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 36,89 %
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.
Reikiama inkaro įtampa
Va = 0,25·62,83 + 2·1 = 17,71 V
Pildymo koeficientas
D = 17,71/48 = 36,89 %
Atsakymas
D = 36,89 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 760,3 rpm
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.
Sūkių dažnis be slydimo
1440·160/300 = 768 rpm
Su slydimu
n2 = 768·0,99 = 760,3 rpm
Atsakymas
n2 = 760,3 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 429,6 rpm
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.
Pirmoji pakopa
nB = 1450·32/45 = 1031 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 1031·25/60 = 429,6 rpm
Atsakymas
nout = 429,6 rpm
bendras perdavimo skaičius = 3,375 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 9,6 MB
Duomenų spartos: kiekvienas kanalas per sekundę pateikia fs atskaitų po N bitų, todėl žalioji sparta yra kanalai × fs × N bit/s. Atmintyje atskaita užima sveikus baitus (12 bitų atskaita saugoma 2 baituose), todėl įrašo atmintis yra kanalai × fs × baitai vienai atskaitai × laikas. Multipleksuojamas ADC kanalus keičia vieną po kito: kiekvienas keitimas (su nusistovėjimu) trunka t, todėl n kanalų ratas trunka n·t, o kiekvienas kanalas diskretizuojamas 1/(n·t) dažniu.
Baitai vienai atskaitai
⌈10/8⌉ = 2 B
Baitų sparta
8·10000·2 = 160000 B/s
Atmintis
M = 160000·60 = 9,6 × 10⁶ B = 9,6 MB
Atsakymas
M = 9,6 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,7813 °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 = 5000/256 = 19,53 mV
Jautris ties ADC
10·2,5 = 25 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 19,53/25 = 0,7813 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,7813 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 200 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Rth = 187,5 Ω
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.
Šaltinis užtrumpintas
R₁∥R₂ = 150·50/200 = 37,5 Ω
R₃∥R₄ = 200·600/800 = 150 Ω
Tevenino varža
Rth = 187,5 Ω
Atsakymas
Rth = 187,5 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 5,125 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 = 2,05·1000·10⁻⁶ = 0,00205
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,00205 = 5,125 mV
Atsakymas
Vo = 5,125 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 5
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.
Pagreičio konstanta
Ka = 20·1/10 = 2
Parabolės paklaida
ess = 10/2 = 5
Atsakymas
ess = 5
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 5
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).
Greičio konstanta
s·C(s) = 1s + 4 → 4, kai s → 0.
Kv = 4·2/8 = 1
Rampos paklaida
ess = 5/1 = 5
Atsakymas
ess = 5
PI reguliatorius visiškai panaikina šuolio paklaidą; rampa seka su pastoviu atsilikimu.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 2 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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,646) = 0,7559
Rezultatas
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
Atsakymas
ts = 2 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,5912
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).