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 = 0,6 N·m/A, o Ra = 1,2 Ω, prijungtas prie 120 V. Raskite jo stabdymo momentą Tstall, momentą esant nuliniam greičiui.
V = 120 Vk = 0,6 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 0,3 V·s/rad, o Ra = 0,2 Ω, turi sukti 9 N·m apkrovą 900 aps./min greičiu. Raskite jam reikalingą inkaro įtampą V.
k = 0,3 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 9 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 200 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 960 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 1500 N, laisvosios – 600 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 200 mmn1 = 960 rpmT1 = 1500 NT2 = 600 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
7,5 kW variklis, besisukantis 1440 rpm greičiu, suka krumpliaratį A (36 dantų), kuris sukimba su krumpliaračiu B (60 dantų). Krumpliaratis C (20 dantų), esantis ant to paties veleno kaip B, suka krumpliaratį D (36 dantų) ant išėjimo veleno. Kiekvieno sukibimo naudingumo koeficientas 98%. Raskite išėjimo sukimo momentą Tout.
Jutiklis matuoja atstumas ruože 500 mm, o jo išėjimas užpildo visą ADC įėjimo ruožą. Rodmuo turi išskirti 0,1 mm. Raskite mažiausią ADC bitų skaičių N.
ruožas = 500 mmskiriamoji geba = 0,1 mm
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
4 kanalų multiplekseris maitina vieną ADC. Kiekvienas keitimas trunka 10 µs, o po kiekvieno kanalo perjungimo įėjimui reikia 2,5 µs nusistovėti. Kanalai skenuojami paeiliui be pauzių. Raskite kiekvieno kanalo diskretizavimo dažnį fs kHz.
n = 4tc = 10 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
250 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 250 Ω, o žadinimas 3 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 3 VR = 250 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 10 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 800 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 10 VGF = 2,12ε = 800 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 5)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 1·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 50 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 2/(s(s + 10))K = 50
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 32/(s² + 3s + 16), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 32/(s² + 3s + 16)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija turi turėti 40 % viršijimą. Raskite slopinimo koeficientą ζ.
%OS = 40 %
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Tstall = 60 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.
Stabdymo srovė
Ia = V/Ra = 120/1,2 = 100 A
Stabdymo momentas
Tstall = 0,6·100 = 60 N·m
Atsakymas
Tstall = 60 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: V = 34,27 V
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
E = 0,3·94,25 = 28,27 V
Inkaro srovė
Ia = 9/0,3 = 30 A
Inkaro įtampa
V = 28,27 + 30·0,2 = 34,27 V
Atsakymas
V = 34,27 V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 9,048 kW
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 greitis
v = 10,05 m/s
Galia
P = (1500 − 600)·10,05 = 9048 W = 9,048 kW
Atsakymas
P = 9,048 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Tout = 143,3 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Išėjimo sukimosi dažnis
nout = 1440·(36/60)·(20/36) = 480 rpm
ωout = 2π·480/60 = 50,27 rad/s
Išėjimo galia ir sukimo momentas
Pout = 7500·0,98² = 7203 W
Tout = Pout/ωout = 7203/50,27 = 143,3 N·m
Atsakymas
Tout = 143,3 N·m
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 13
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
500/0,1 = 5000
Bitai
log₂(5000) = 12,29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13
Atsakymas
N = 13
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fs = 20 kHz
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.
Laikas vienam kanalui
10 + 2,5 = 12,5 µs
Skenavimo laikas
4·12,5 = 50 µs
Vieno kanalo diskretizavimo dažnis
fs = 1/50 µs = 20 kHz
Atsakymas
fs = 20 kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 9 mW
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.
Įtampa ant jutiklio
V = 3/2 = 1,5 V
Galia
Pg = 1,5²/250 = 9 mW
Atsakymas
Pg = 9 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 8,48 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 = 2,12·800·10⁻⁶ = 0,001696
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,001696/2 = 8,48 mV
Atsakymas
Vo = 8,48 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,3125
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 = 4·4/5 = 3,2
Parabolės paklaida
ess = 1/3,2 = 0,3125
Atsakymas
ess = 0,3125
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 0,8 s
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
s(s + 10) + 50·2 = s² + 10s + 100
ωₙ ir ζ
ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 10/(2·10) = 0,5
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s
Atsakymas
ts = 0,8 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −1,5
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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4) = 0,375
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Atsakymas
σ = −1,5
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,28
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).