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 48 V maitinimo vartoja 8 A. Jo inkaro varža yra 0,8 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 17 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 48 VIa = 8 ARa = 0,8 ΩProt = 17 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Mažo nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 1,2 Ω, jis maitinamas 120 V. Neįskaitydami sukimosi nuostolių, raskite didžiausią mechaninę galią Pmax, kurią jis gali išvystyti bet kokiu greičiu.
V = 120 VRa = 1,2 Ω
Pmax = W
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 125 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 1450 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 1000 N, laisvosios – 500 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1000 NT2 = 500 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (18 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 960 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (60 dantų). Krumpliaratis C (20 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (60 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 960 rpmA = 18B = 60C = 20D = 60
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
2,3 kHz sinusinė banga diskretizuojama 2 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Kokiu dažniu fa ji pasirodo atskaitose? Pateikite Hz.
f = 2,3 kHzfs = 2 kHz
fa = Hz
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
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 57600 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 2 MHznorima = 57600 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Raskite pavaizduoto tilto Tevenino varžą Rth, žiūrint nuo išėjimo gnybtų a ir b.
Vs = 12 VR1 = 1000 ΩR2 = 250 ΩR3 = 300 ΩR4 = 10 Ω
Rth = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 110 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 0,625 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 0,625 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 5)), paduodamas signalas r(t) = 5 + 3t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 5))r(t) = 5 + 3t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 25 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 6)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 2/(s(s + 6))K = 25
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 198/(s² + 11s + 66), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 198/(s² + 11s + 66)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
10 kg masė kabo ant 2000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 170 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 20 N. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
m = 10 kgk = 2000 N/mc = 170 N·s/mF = 20 N
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 82,24 %
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 = 48·8 = 384 W
Pdev = 41,6·8 = 332,8 W
Pout = 332,8 − 17 = 315,8 W
Naudingumo koeficientas
η = 315,8/384·100 = 82,24 %
Atsakymas
η = 82,24 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Pmax = 3000 W
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.
Galia kaip priešelektrovaros funkcija
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V
Didžiausia galia
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1,2) = 3000 W
Atsakymas
Pmax = 3000 W
Šiame taške naudingumo koeficientas tik 50 %, todėl tikri varikliai veikia gerokai didesniu nei pusė greičiu.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 4,745 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 = 9,49 m/s
Galia
P = (1000 − 500)·9,49 = 4745 W = 4,745 kW
Atsakymas
P = 4,745 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 96 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 = 960·18/60 = 288 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 288·20/60 = 96 rpm
Atsakymas
nout = 96 rpm
bendras perdavimo skaičius = 10 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 300 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.
Naikvisto dažnis
fs/2 = 1 kHz < f = 2,3 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
k = round(2300/2000) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |2300 − 1·2000| = 300 Hz
Atsakymas
fa = 300 Hz
Brūkšninė kreivė paveiksle yra persiklojimo dažnis: ji eina per lygiai tas pačias atskaitas.
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/(16·57600) = 2,17 → 2
Tikroji baud sparta
2·10⁶/(16·2) = 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: Rth = 209,7 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.
Šaltinis užtrumpintas
R₁∥R₂ = 1000·250/1250 = 200 Ω
R₃∥R₄ = 300·10/310 = 9,677 Ω
Tevenino varža
Rth = 209,7 Ω
Atsakymas
Rth = 209,7 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 27,5 MPa
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.
Deformacija
ε = 4·0,000625/(5·2) = 0,00025
Įtempis
σ = 110·10³ MPa·0,00025 = 27,5 MPa
Atsakymas
σ = 27,5 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 3,75
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
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 3/0,8 = 3,75
Atsakymas
ess = 3,75
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 1,333 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 + 6) + 25·2 = s² + 6s + 50
ωₙ ir ζ
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 6/(2·7,071) = 0,4243
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Atsakymas
ts = 1,333 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 5,558 %
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 = 66 → ωₙ = 8,124 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,124) = 0,677
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,89 = 5,558 %
Atsakymas
%OS = 5,558 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,601
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).