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, kurio k = 1,2 N·m/A, o Ra = 0,8 Ω, prijungtas prie 110 V. Raskite jo stabdymo momentą Tstall, momentą esant nuliniam greičiui.
V = 110 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω), prijungtas prie pastovios 48 V įtampos, suka 0,6 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 1200 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
3 kW variklis, besisukantis 1450 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 50; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 72. Nuostolių nepaisykite. Raskite sukimo momentą T1 variklio velene.
P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 50N2 = 72η = 100%
T1 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Planetinėje pavaroje saulės krumpliaratis turi 15 dantų, o kiekvienas satelitas – 30 dantų. Vedžiklis nejudamas, o saulės krumpliaratis sukamas 1200 rpm greičiu. Raskite vainikinio krumpliaračio sukimosi greitį nr (didumą).
Ns = 15Np = 30ns = 1200 rpm
nr = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 2,5 V. Jis turi išskirti 10 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 2,5 Vskiriamoji geba = 10 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Garso matavimui reikia idealaus signalo ir kvantavimo triukšmo santykio bent 40 dB pilnos skalės sinusinei bangai. Raskite mažiausią ADC bitų skaičių N.
SQNR ≥ 40 dB
N =
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 220 Ω, Vs = 5 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 0,44 Ω. Taikydami mažo pokyčio artinį, raskite išėjimą Vab mV.
Vs = 5 VR = 220 ΩΔR = 0,44 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas (vienas aktyvus jutiklis, GF = 2) žadinamas 10 V. Didžiausia matuojama deformacija yra 800 µε, ir ji analoginio-skaitmeninio keitiklio įėjime turi duoti 5 V. Raskite stiprintuvo stiprinimą G.
Vs = 10 VGF = 2εmax = 800 µεVFS = 5 V
G =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 3)/(s(s + 5)), paduodamas signalas r(t) = 5 + 0,5t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 3)/(s(s + 5))r(t) = 5 + 0,5t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 2/(s + 2) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 3 rad/s ir ζ = 0,6. Raskite proporcinį stiprinimą Kp.
G(s) = 2/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 135/(s² + 11s + 45), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.
G(s) = 135/(s² + 11s + 45)
ωn = rad/s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 6)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 2 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 2 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Tstall = 165 N·m
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.
Stabdymo srovė
Ia = V/Ra = 110/0,8 = 137,5 A
Stabdymo momentas
Tstall = 1,2·137,5 = 165 N·m
Atsakymas
Tstall = 165 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 3,65 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 = 0,6/0,3 = 2 A
E = 0,3·125,7 = 37,7 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (48 − 37,7)/2 = 5,15 Ω
Rs = 3,65 Ω
Atsakymas
Rs = 3,65 Ω
Rezistorius išsklaido 14,6 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T1 = 19,76 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151,8 = 19,76 N·m
Atsakymas
T1 = 19,76 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nr = 240 rpm
Planetinės pavaros: saulės krumpliaračio, vainiko ir vedžiklio greičius sieja Viliso lygtis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: žiūrint iš vedžiklio, tai paprasta krumpliaračių pavara, kurioje satelitai yra tarpiniai krumpliaračiai. Užfiksavus vieną narį, pavara tampa reduktoriumi su vienu perdavimo skaičiumi.
Vainikinio krumpliaračio dantys
Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·30 = 75
Viliso lygtis, kai vedžiklis nejudamas
Kai nc = 0, saulės krumpliaratis per satelitus suka vainiką, o satelitai veikia kaip tarpiniai krumpliaračiai.
nr = −ns·Ns/Nr = −1200·15/75 = −240 rpm
|nr| = 240 rpm
Atsakymas
nr = 240 rpm
Vainikas sukasi priešinga kryptimi nei saulės krumpliaratis.
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 8
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
2500 mV/10 mV = 250
Bitai
log₂(250) = 7,966
27 = 128 < 250 ≤ 28 = 256
N = 8
Atsakymas
N = 8
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 7
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.
Išspręskite N atžvilgiu
N ≥ (40 − 1,76)/6,02 = 6,352
Apvalinkite aukštyn
N = 7
patikra: 6,02·7 + 1,76 = 43,9 dB ≥ 40 dB
Atsakymas
N = 7
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 2,5 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 = 0,44/220 = 0,002
Tiesinis išėjimas
Vab ≈ 5·0,002/4 = 2,5 mV
Atsakymas
Vab = 2,5 mV
Tiksli reikšmė yra 2,498 mV; artinys geras, kol ΔR/R mažas.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: G = 1250
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 = 4 mV
Stiprinimas
G = 5/0,004 = 1250
Atsakymas
G = 1250
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,2083
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) = 2,4
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 0,5/2,4 = 0,2083
Atsakymas
ess = 0,2083
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kp = 0,8
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
1 + C(s)G(s) = 0, padauginta iš s(s + 2).
s² + (2 + 2Kp)s + 2Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,6·3s + 3² = s² + 3,6s + 9
Sulyginkite koeficientus
2 + 2Kp = 3,6 → Kp = 0,8
Atsakymas
Kp = 0,8
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 6,708 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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 45 → ωₙ = 6,708 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·6,708) = 0,8199
Rezultatas
ωₙ = 6,708 rad/s
Atsakymas
ωn = 6,708 rad/s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 14,8
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).