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 = 2 Ω) maitinamas 220 V ir sukasi apkrovos momentu 22,5 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 220 Vk = 1,5 N·m/ARa = 2 ΩT = 22,5 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
110 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 2 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 10 A.
V = 110 VRa = 2 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Du lygiagretūs velenai yra 270 mm atstumu vienas nuo kito. Juos reikia sujungti cilindrinių tiesiadančių krumpliaračių pora, kurios modulis 3 mm, o greičio sumažinimas 5 : 1. Kiek dantų N2 turi turėti krumpliaratis?
a = 270 mmm = 3 mmi = 5
N2 =
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 150 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1500 rpm, su 450 mm skriemuliu; ašys nutolusios 600 mm. Trinties koeficientas yra 0,3, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 800 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
16 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 38400 baud sparta, formatu 8N1 (starto bitas, 8 duomenų bitai, 1 stabdos bitas). Kiekviena atskaita siunčiama 2 sveikais baitais, o ryšys visą laiką užimtas. Raskite aukščiausią signalo dažnį fmax, kurį galima diskretizuoti be persiklojimo, Hz.
baud = 38400 BdN = 168N1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 250 Ω, maitinimas 12 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 117,7 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 12 VR = 250 ΩVab = 117,7 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
350 Ω tenzojutiklis, kurio tenzojautrumo koeficientas 2, priklijuotas prie plieninio strypo. Veikiant apkrovai jo varža padidėja 0,84 Ω. Raskite deformaciją ε mikrodeformacijomis (µε).
R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0,84 Ω
ε = µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 5)), paduodama rampa r(t) = 1t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 5))r(t) = 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PD reguliatorius C(s) = 20 + Kd·s valdo objektą G(s) = 10/(s(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite diferencialinį stiprinimą Kd, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,707.
G(s) = 10/(s(s + 2))Kp = 20ζ = 0,707
Kd = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 45/(s² + 5s + 15), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 45/(s² + 5s + 15)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 25 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,5 s. Raskite savąjį dažnį ωn.
%OS = 25 %tp = 0,5 s
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 1210 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 = 22,5/1,5 = 15 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 220 − 15·2 = 190 V
ω = E/k = 126,7 rad/s → n = 1210 rpm
Atsakymas
n = 1210 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rst = 9 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 = 110/10 = 11 Ω
Paleidimo rezistorius
Rst = 11 − 2 = 9 Ω
Atsakymas
Rst = 9 Ω
Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: N2 = 150
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 = 2·270/3 = 180
Padalykite pagal perdavimo skaičių
N1 = 180/(1 + 5) = 30
N2 = 5·30 = 150
Atsakymas
N2 = 150
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 5,151 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 = 2,636 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,7909 = 2,205, T₂ = 800/2,205 = 362,8 N
Galia
P = (800 − 362,8)·11,78 = 5,151 kW
Atsakymas
P = 5,151 kW
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: fmax = 960 Hz
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 linijoje vienai atskaitai
2·10 = 20 bit
Aukščiausias diskretizavimo dažnis
fs,max = 38400/20 = 1920 Hz
Naikvisto riba
fmax = 1920/2 = 960 Hz
Atsakymas
fmax = 960 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 10 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 = 6 + 0,1177 = 6,118 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 250·6,118/(12 − 6,118) = 260 Ω
ΔR = 260 − 250 = 10 Ω
Atsakymas
ΔR = 10 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 1200 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 = 0,84/350 = 0,0024
Deformacija
ε = 0,0024/2 = 0,0012 = 1200 µε
Atsakymas
ε = 1200 µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1
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) = 1
Rampos paklaida
ess = 1/1 = 1
Atsakymas
ess = 1
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kd = 1,8 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 + 2) + 10(20 + Kds) = s² + (2 + 10Kd)s + 200
Savasis dažnis
ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
Diferencialinis stiprinimas
2 + 10Kd = 2·0,707·14,14 = 20
Kd = 1,8 s
Atsakymas
Kd = 1,8 s
Diferencialinis narys prideda slopinimo nekeisdamas ωₙ.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 7,029 %
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 = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,873) = 0,6455
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,655 = 7,029 %
Atsakymas
%OS = 7,029 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 6,868 rad/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).