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 (k = 1,5 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) maitinamas 220 V ir sukasi apkrovos momentu 60 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 220 Vk = 1,5 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 60 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) iš 220 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·220 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 600 aps./min, kai apkrova yra 3,6 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
1,5 kW variklis, besisukantis 1500 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 16; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 80. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 97 %. Raskite sukimo momentą T1 variklio velene.
P = 1,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 80η = 97%
T1 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (24 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 3000 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (25 dantų). Krumpliaratis C (16 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 = 24B = 25C = 16D = 50
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
UART siunčia baitus 115200 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 = 115200 Bd8E1
RB = B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
480 Hz stačiakampė banga diskretizuojama 2 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 = 480 Hzfs = 2 kHzharmonika: 7f₁
fa = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 220 Ω, Vs = 15 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 0,88 Ω. Taikydami mažo pokyčio artinį, raskite išėjimą Vab mV.
Vs = 15 VR = 220 ΩΔR = 0,88 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
350 Ω tenzojutiklis, kurio tenzojautrumo koeficientas 2, priklijuotas prie plieninio strypo. Veikiant apkrovai jo varža padidėja 0,7 Ω. Raskite deformaciją ε mikrodeformacijomis (µε).
R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0,7 Ω
ε = µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Procesas G(s) = 2,5/(1s + 1) valdomas proporciniu stiprinimu K = 5 vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolio nusistovėjusiąją paklaidą ess kaip šuolio dydžio procentą.
G(s) = 2,5/(1s + 1)K = 5
ess = %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 40 valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 5)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 4/(s(s + 5))K = 40
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 82/(s² + 8s + 82), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 82/(s² + 8s + 82)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija turi turėti 25 % viršijimą. Raskite slopinimo koeficientą ζ.
%OS = 25 %
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 1337 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.
Inkaro srovė
Ia = T/k = 60/1,5 = 40 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 220 − 40·0,25 = 210 V
ω = E/k = 140 rad/s → n = 1337 rpm
Atsakymas
n = 1337 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 10,75 %
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 = 0,3·62,83 + 12·0,4 = 23,65 V
Pildymo koeficientas
D = 23,65/220 = 10,75 %
Atsakymas
D = 10,75 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T1 = 9,549 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/157,1 = 9,549 N·m
Atsakymas
T1 = 9,549 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 921,6 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 = 3000·24/25 = 2880 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 2880·16/50 = 921,6 rpm
Atsakymas
nout = 921,6 rpm
bendras perdavimo skaičius = 3,255 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: RB = 10473 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
115200/11 = 10473 B/s
Atsakymas
RB = 10473 B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 640 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 = 7·480 Hz = 3,36 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
m = round(1,68) = 2
Persiklojimo dažnis
fa = |3360 − 2·2000| = 640 Hz
Atsakymas
fa = 640 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: Vab = 15 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.
Santykinis pokytis
ΔR/R = 0,88/220 = 0,004
Tiesinis išėjimas
Vab ≈ 15·0,004/4 = 15 mV
Atsakymas
Vab = 15 mV
Tiksli reikšmė yra 14,97 mV; artinys geras, kol ΔR/R mažas.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 1000 µε
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 = 0,7/350 = 0,002
Deformacija
ε = 0,002/2 = 0,001 = 1000 µε
Atsakymas
ε = 1000 µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 7,407 %
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.
Padėties konstanta
Kp = 5·2,5 = 12,5
Šuolio paklaida
ess = 100/(1 + 12,5) = 7,407 %
Atsakymas
ess = 7,407 %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 1,6 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 + 5) + 40·4 = s² + 5s + 160
ωₙ ir ζ
ωₙ = √160 = 12,65 rad/s
ζ = 5/(2·12,65) = 0,1976
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s
Atsakymas
ts = 1,6 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1 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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,055) = 0,4417
Rezultatas
ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s
Atsakymas
ts = 1 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,4037
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).