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 = 0,15 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) maitinamas 24 V. Pilna apkrova jis vartoja 2 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 24 Vk = 0,15 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 2 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
120 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 2 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 40 A.
V = 120 VRa = 2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Du lygiagretūs velenai yra 135 mm atstumu vienas nuo kito. Juos reikia sujungti cilindrinių tiesiadančių krumpliaračių pora, kurios modulis 2 mm, o greičio sumažinimas 3,5 : 1. Kiek dantų N1 turi turėti krumpliaratukas?
a = 135 mmm = 2 mmi = 3,5
N1 =
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 125 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1500 rpm, su 250 mm skriemuliu; ašys nutolusios 500 mm. Trinties koeficientas yra 0,35, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 800 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 1 V. Jis turi išskirti 0,1 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 1 Vskiriamoji geba = 0,1 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Mikrovaldiklis su 4 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 57600 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 4 MHznorima = 57600 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 300 Ω, Vs = 5 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 45 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 5 VR = 300 ΩΔR = 45 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas (vienas aktyvus jutiklis, GF = 2) žadinamas 3 V. Didžiausia matuojama deformacija yra 1500 µε, ir ji analoginio-skaitmeninio keitiklio įėjime turi duoti 10 V. Raskite stiprintuvo stiprinimą G.
Vs = 3 VGF = 2εmax = 1500 µεVFS = 10 V
G =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4/(s(s + 5)), paduodama rampa r(t) = 0,5t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4/(s(s + 5))r(t) = 0,5t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 10 valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s(s + 4))K = 10
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 76/(s² + 12s + 76), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 76/(s² + 12s + 76)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
20 kg masė kabo ant 500 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 20 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 50 N. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
m = 20 kgk = 500 N/mc = 20 N·s/mF = 50 N
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 14,29 %
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.
Tuščiosios eigos ir pilnos apkrovos greitis
n₀ = 60·24/(2π·0,15) = 1528 rpm
nFL = 60·(24 − 2·1,5)/(2π·0,15) = 1337 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (1528 − 1337)/1337·100 = 14,29 %
Atsakymas
SR = 14,29 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rst = 1 Ω
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.
Visa varža
Ra + Rst = 120/40 = 3 Ω
Paleidimo rezistorius
Rst = 3 − 2 = 1 Ω
Atsakymas
Rst = 1 Ω
Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: N1 = 30
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.
Bendras dantų skaičius
N1 + N2 = 2a/m = 2·135/2 = 135
Padalykite pagal perdavimo skaičių
N1 = 135/(1 + 3,5) = 30
Atsakymas
N1 = 30
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 4,999 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 = 2,891 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e1,012 = 2,751, T₂ = 800/2,751 = 290,8 N
Galia
P = (800 − 290,8)·9,817 = 4,999 kW
Atsakymas
P = 4,999 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 14
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
1000 mV/0,1 mV = 10000
Bitai
log₂(10000) = 13,29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14
Atsakymas
N = 14
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: e = 8,507 %
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.
Daliklis
D = 4·10⁶/(16·57600) = 4,34 → 4
Tikroji baud sparta
4·10⁶/(16·4) = 62500 Bd
Paklaida
(62500 − 57600)/57600·100 = 8,507 %
Atsakymas
e = 8,507 %
Paklaida, didesnė nei maždaug 2 %, ryšį daro nepatikimą: parinkite kitą taktinį dažnį ar baud spartą.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 174,4 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 = 5·345/645 = 2,674 V
Vb = 2,5 V
Išskirta
Vab = 174,4 mV
Atsakymas
Vab = 174,4 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 187,5 mV yra 7,5 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: G = 4444
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.
Tilto išėjimas esant pilnai skalei
Vo = 2,25 mV
Stiprinimas
G = 10/0,00225 = 4444
Atsakymas
G = 4444
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,625
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) = 0,8
Rampos paklaida
ess = 0,5/0,8 = 0,625
Atsakymas
ess = 0,625
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 2 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 + 4) + 10·5 = s² + 4s + 50
ωₙ ir ζ
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 4/(2·7,071) = 0,2828
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s
Atsakymas
ts = 2 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −6
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 = 76 → ωₙ = 8,718 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8,718) = 0,6882
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −12/2 = −6
Atsakymas
σ = −6
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,1
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).