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 24 V maitinimo vartoja 2 A. Jo inkaro varža yra 1,5 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 3 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 24 VIa = 2 ARa = 1,5 ΩProt = 3 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 2 Ω) iš 110 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·110 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 500 aps./min, kai apkrova yra 0,8 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 120 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 2880 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 400 N, laisvosios – 100 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 120 mmn1 = 2880 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (15 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 3000 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (60 dantų). Krumpliaratis C (18 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (50 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 3000 rpmA = 15B = 60C = 18D = 50
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
UART siunčia baitus 1200 baud sparta formatu 8E1: 8 duomenų bitai, lyginio lyginumo bitas ir 1 stabdos bitas (-ai), plius starto bitas. Raskite didžiausią duomenų baitų skaičių per sekundę, kurį jis gali perduoti.
baud = 1200 Bd8E1
RB = B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
400 Hz stačiakampė banga diskretizuojama 1 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Stačiakampėje bangoje yra nelyginės harmonikos 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Kokiu dažniu fa jos harmonika 3f₁ pasirodo diskretizuotuose duomenyse? Pateikite Hz.
f₁ = 400 Hzfs = 1 kHzharmonika: 3f₁
fa = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
200 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 200 Ω, o žadinimas 10 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 10 VR = 200 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Apkrovos jutiklio (pilno tenzojutiklių tilto) nominalus išėjimas yra 1,5 mV/V, kai nominali apkrova 50 kg. Jis žadinamas 12 V. Raskite jo išėjimą Vo, kai apkrova yra 10 kg.
1,5 mV/VFrated = 50 kgVs = 12 VF = 10 kg
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 4)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 1·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 4))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 5)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,8.
G(s) = 2/(s(s + 5))ζ = 0,8
K =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 42/(s² + 4s + 42), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 42/(s² + 4s + 42)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 4)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 10 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 10 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 81,25 %
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 = 24·2 = 48 W
Pdev = 21·2 = 42 W
Pout = 42 − 3 = 39 W
Naudingumo koeficientas
η = 39/48·100 = 81,25 %
Atsakymas
η = 81,25 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 22,68 %
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 + 2·2 = 24,94 V
Pildymo koeficientas
D = 24,94/110 = 22,68 %
Atsakymas
D = 22,68 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 5,429 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 = 18,1 m/s
Galia
P = (400 − 100)·18,1 = 5429 W = 5,429 kW
Atsakymas
P = 5,429 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 270 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 = 3000·15/60 = 750 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 750·18/50 = 270 rpm
Atsakymas
nout = 270 rpm
bendras perdavimo skaičius = 11,11 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: RB = 109,1 B/s
UART: asinchroninis nuoseklusis ryšys kiekvieną baitą siunčia kaip kadrą: vienas starto bitas (žemas lygis), duomenų bitai, nebūtinas lyginumo bitas ir vienas ar du stabdos bitai (aukštas lygis). Baud sparta yra bitų skaičius per sekundę, todėl vienas bitas trunka Tb = 1/baud, o n bitų kadras – n/baud. Įprastas 8N1 formatas turi 10 bitų baitui. Baud generatorius dalija taktinį dažnį: baud = fclk/(16·D) su sveikuoju D, todėl tikroji baud sparta nuo norimos šiek tiek skiriasi; paklaida iki maždaug 2 % paprastai priimtina.
Bitai kadre
1 + 8 + 1 + 1 = 11
Baitų sparta
1200/11 = 109,1 B/s
Atsakymas
RB = 109,1 B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 200 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
3f₁ = 3·400 Hz = 1,2 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
m = round(1,2) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |1200 − 1·1000| = 200 Hz
Atsakymas
fa = 200 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: Pg = 125 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 = 10/2 = 5 V
Galia
Pg = 5²/200 = 125 mW
Atsakymas
Pg = 125 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 3,6 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.
Pilnos skalės išėjimas
1,5·12 = 18 mV
Išėjimas esant šiai apkrovai
Vo = 18·10/50 = 3,6 mV
Atsakymas
Vo = 3,6 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,3333
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 = 4·3/4 = 3
Parabolės paklaida
ess = 1/3 = 0,3333
Atsakymas
ess = 0,3333
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 4,883
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 + 5) + 2K = s² + 5s + 2K
Savasis dažnis
2·0,8·ωₙ = 5 → ωₙ = 3,125 rad/s
Stiprinimas
2K = ωₙ² = 9,766 → K = 4,883
Atsakymas
K = 4,883
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 = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,481) = 0,3086
Rezultatas
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
Atsakymas
ts = 2 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 11,45
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).