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 iš 48 V maitinimo vartoja 25 A. Jo inkaro varža yra 0,2 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 54 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 48 VIa = 25 ARa = 0,2 ΩProt = 54 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) iš 120 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·120 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 800 aps./min, kai apkrova yra 7,2 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
5,5 kW variklis, besisukantis 1450 rpm greičiu, suka krumpliaratuką su 18 dantų, kurio modulis 4 mm. Raskite tangentinę jėgą Ft, veikiančią krumpliaratuko dantis.
P = 5,5 kWn = 1450 rpmN1 = 18m = 4 mm
Ft = N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 150 mm varantįjį skriemulį, sukamą 720 rpm, su 315 mm skriemuliu; ašys nutolusios 600 mm. Trinties koeficientas yra 0,3, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 1200 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
750 Hz stačiakampė banga diskretizuojama 5 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Stačiakampėje bangoje yra nelyginės harmonikos 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Kokiu dažniu fa jos harmonika 7f₁ pasirodo diskretizuotuose duomenyse? Pateikite Hz.
f₁ = 750 Hzfs = 5 kHzharmonika: 7f₁
fa = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 300 Ω, maitinimas 6 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 169,8 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 6 VR = 300 ΩVab = 169,8 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 1500 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 5 VGF = 2,12ε = 1500 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 2 + 1t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 2 + 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 1/(s + 1) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 10 rad/s ir ζ = 1. Raskite integralinį stiprinimą Ki.
G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 1
Ki =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 222/(s² + 3s + 74), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 222/(s² + 3s + 74)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 215/(s(s + 5)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 215/(s(s + 5))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 85,08 %
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.
Galios
Pin = 48·25 = 1200 W
Pdev = 43·25 = 1075 W
Pout = 1075 − 54 = 1021 W
Naudingumo koeficientas
η = 1021/1200·100 = 85,08 %
Atsakymas
η = 85,08 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 46,89 %
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 = 0,6·83,78 + 12·0,5 = 56,27 V
Pildymo koeficientas
D = 56,27/120 = 46,89 %
Atsakymas
D = 46,89 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Ft = 1006 N
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.
Krumpliaratuko sukimo momentas
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5500/151,8 = 36,22 N·m
Dalijamasis skersmuo
d = m·N = 4·18 = 72 mm
Tangentinė jėga
Ft = 2T/d = 2·36,22/0,072 = 1006 N
Atsakymas
Ft = 1006 N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 3,914 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.
Apkabos kampas
θ = 2,866 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,8597 = 2,362, T₂ = 1200/2,362 = 507,9 N
Galia
P = (1200 − 507,9)·5,655 = 3,914 kW
Atsakymas
P = 3,914 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: SQNR = 61,96 dB
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.
Idealus SQNR
SQNR = 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB
Atsakymas
SQNR = 61,96 dB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 250 Hz
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.
Harmonikos dažnis
7f₁ = 7·750 Hz = 5,25 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
m = round(1,05) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |5250 − 1·5000| = 250 Hz
Atsakymas
fa = 250 Hz
Persiklojimo dažnis patenka į signalo juostą, kur jokio skaitmeninio filtro jo pašalinti negali. Padeda tik analoginis filtras prieš ADC.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 36 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.
Mazgo įtampa
Va = 3 + 0,1698 = 3,17 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 300·3,17/(6 − 3,17) = 336 Ω
ΔR = 336 − 300 = 36 Ω
Atsakymas
ΔR = 36 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 3,975 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 = 2,12·1500·10⁻⁶ = 0,00318
Tilto išėjimas
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0,00318/4 = 3,975 mV
Atsakymas
Vo = 3,975 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 10
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) = 0,1
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 1/0,1 = 10
Atsakymas
ess = 10
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Ki = 100
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 + 1).
s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·1·10s + 10² = s² + 20s + 100
Sulyginkite koeficientus
1Ki = 100 → Ki = 100
Atsakymas
Ki = 100
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 2,667 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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,602) = 0,1744
Rezultatas
ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s
Atsakymas
ts = 2,667 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).