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 duoda 15 kW mechaninės galios, sukdamasis 2900 aps./min. Raskite veleno momentą T.
P = 15 kWn = 2900 rpm
T = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) iš 240 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·240 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 500 aps./min, kai apkrova yra 6 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
5,5 kW variklis, besisukantis 960 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 50; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 72. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 96 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 5,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 50N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (12 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1500 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (25 dantų). Krumpliaratis C (48 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (80 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1500 rpmA = 12B = 25C = 48D = 80
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 10 V. Jis turi išskirti 0,1 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 10 Vskiriamoji geba = 0,1 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 20 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 4 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 20 mV/°CG = 4N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 100 Ω, Vs = 10 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 15 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 10 VR = 100 ΩΔR = 15 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 2,5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,1, o deformacija 1000 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 2,5 VGF = 2,1ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 2 + 1t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 10))r(t) = 2 + 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = 2 + 5/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) = 2 + 5/sG(s) = 2/((s + 2)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 38/(s² + 9s + 38), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 38/(s² + 9s + 38)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 255/(s(s + 4)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 255/(s(s + 4))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: T = 49,39 N·m
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.
Greitis rad/s
ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
Sukimo momentas
T = P/ω = 15000/303,7 = 49,39 N·m
Atsakymas
T = 49,39 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 11,23 %
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 = 0,4·52,36 + 15·0,4 = 26,94 V
Pildymo koeficientas
D = 26,94/240 = 11,23 %
Atsakymas
D = 11,23 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 75,63 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 = 5500/100,5 = 54,71 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 54,71·72/50·0,96 = 75,63 N·m
Atsakymas
T2 = 75,63 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 432 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 = 1500·12/25 = 720 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 720·48/80 = 432 rpm
Atsakymas
nout = 432 rpm
bendras perdavimo skaičius = 3,472 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 17
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.
Reikalingi žingsniai
10000 mV/0,1 mV = 100000
Bitai
log₂(100000) = 16,61
216 = 65536 < 100000 ≤ 217 = 131072
N = 17
Atsakymas
N = 17
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,1221 °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 = 2500/256 = 9,766 mV
Jautris ties ADC
20·4 = 80 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 9,766/80 = 0,1221 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,1221 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 31,25 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 348,8 mV
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.
Mazgų įtampos
Va = 10·115/215 = 5,349 V
Vb = 5 V
Išskirta
Vab = 348,8 mV
Atsakymas
Vab = 348,8 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 375 mV yra 7,5 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 5,25 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 = 2,1·1000·10⁻⁶ = 0,0021
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,0021 = 5,25 mV
Atsakymas
Vo = 5,25 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,25
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) = 4
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 1/4 = 0,25
Atsakymas
ess = 0,25
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 4
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) = 2s + 5 → 5, kai s → 0.
Kv = 5·2/8 = 1,25
Rampos paklaida
ess = 5/1,25 = 4
Atsakymas
ess = 4
PI reguliatorius visiškai panaikina šuolio paklaidą; rampa seka su pastoviu atsilikimu.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 3,489 %
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 = 38 → ωₙ = 6,164 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,164) = 0,73
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,356 = 3,489 %
Atsakymas
%OS = 3,489 %
12.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).