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 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) maitinamas 240 V. Pilna apkrova jis vartoja 5 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 5 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω), prijungtas prie pastovios 110 V įtampos, suka 12 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 500 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
4 kW variklis, besisukantis 1500 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 15; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 40. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 98 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 4 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 40η = 98%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Sudėtinėje krumpliaračių pavaroje krumpliaratis A (18 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1440 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (30 dantų). Krumpliaratis C (16 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D ant išėjimo veleno. Išėjimo velenas turi suktis 307,2 rpm greičiu. Kiek dantų ND turi turėti krumpliaratis D?
Mikrovaldiklis su 2 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 38400 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 2 MHznorima = 38400 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 150 Ω, Vs = 9 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 30 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 9 VR = 150 ΩΔR = 30 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,1, o deformacija 400 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 5 VGF = 2,1ε = 400 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūras, kurio G(s) = K/(s(s + 4)), turi sekti rampą r(t) = 2t su 0,5 nusistovėjusiąja paklaida. Raskite stiprinimą K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0,5
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PD reguliatorius C(s) = 20 + Kd·s valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite diferencialinį stiprinimą Kd, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,9.
G(s) = 5/(s(s + 4))Kp = 20ζ = 0,9
Kd = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 43/(s² + 7s + 43), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 43/(s² + 7s + 43)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 4,3 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,25 s. Raskite savąjį dažnį ωn.
%OS = 4,3 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 3,226 %
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 = 60·240/(2π·1) = 2292 rpm
nFL = 60·(240 − 5·1,5)/(2π·1) = 2220 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (2292 − 2220)/2220·100 = 3,226 %
Atsakymas
SR = 3,226 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 4,403 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.
Srovė ir priešelektrovara
Ia = 12/1 = 12 A
E = 1·52,36 = 52,36 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (110 − 52,36)/12 = 4,803 Ω
Rs = 4,403 Ω
Atsakymas
Rs = 4,403 Ω
Rezistorius išsklaido 634,1 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 66,55 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 = 4000/157,1 = 25,46 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 25,46·40/15·0,98 = 66,55 N·m
Atsakymas
T2 = 66,55 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: ND = 45
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.
Tarpinio veleno greitis
nB = nC = 1440·18/30 = 864 rpm
Krumpliaračio D dantys
ND = C·nC/nout = 16·864/307,2 = 45
Atsakymas
ND = 45
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: SQNR = 110,1 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 = 6,02·18 + 1,76 = 110,1 dB
Atsakymas
SQNR = 110,1 dB
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 = 2·10⁶/(16·38400) = 3,255 → 3
Tikroji baud sparta
2·10⁶/(16·3) = 41667 Bd
Paklaida
(41667 − 38400)/38400·100 = 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 = 409,1 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 = 9·180/330 = 4,909 V
Vb = 4,5 V
Išskirta
Vab = 409,1 mV
Atsakymas
Vab = 409,1 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 450 mV yra 10 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 1,05 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 = 2,1·400·10⁻⁶ = 0,00084
Tilto išėjimas
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0,00084/4 = 1,05 mV
Atsakymas
Vo = 1,05 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 16
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.
Reikiama greičio konstanta
Kv = A/ess = 2/0,5 = 4
Stiprinimas
K = 4·Kv = 16
Atsakymas
K = 16
Didelis stiprinimas šį kontūrą padaro labai silpnai slopinamą: ζ = 0,5. Dėl šios prieštaros naudojami kompensatoriai.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kd = 2,8 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 + 4) + 5(20 + Kds) = s² + (4 + 5Kd)s + 100
Savasis dažnis
ωₙ = √100 = 10 rad/s
Diferencialinis stiprinimas
4 + 5Kd = 2·0,9·10 = 18
Kd = 2,8 s
Atsakymas
Kd = 2,8 s
Diferencialinis narys prideda slopinimo nekeisdamas ωₙ.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,5665 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).
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).