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 = 1,2 Ω, prijungtas prie 240 V. Raskite jo stabdymo momentą Tstall, momentą esant nuliniam greičiui.
V = 240 Vk = 1,2 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
220 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 1,5 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 30 A.
V = 220 VRa = 1,5 ΩImax = 30 A
Rst = Ω
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 150 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 960 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 800 N, laisvosios – 400 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 150 mmn1 = 960 rpmT1 = 800 NT2 = 400 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (24 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 960 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (25 dantų). Krumpliaratis C (15 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (40 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 960 rpmA = 24B = 25C = 15D = 40
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
23 kHz sinusinė banga diskretizuojama 20 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Kokiu dažniu fa ji pasirodo atskaitose? Pateikite kHz.
f = 23 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
4,8 kHz stačiakampė banga diskretizuojama 20 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Stačiakampėje bangoje yra nelyginės harmonikos 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Kokiu dažniu fa jos harmonika 5f₁ pasirodo diskretizuotuose duomenyse? Pateikite kHz.
f₁ = 4,8 kHzfs = 20 kHzharmonika: 5f₁
fa = kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 330 Ω, Vs = 15 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 82,5 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 15 VR = 330 ΩΔR = 82,5 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 2,5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 1000 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 5·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PD reguliatorius C(s) = 10 + Kd·s valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite diferencialinį stiprinimą Kd, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,6.
G(s) = 4/(s(s + 4))Kp = 10ζ = 0,6
Kd = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 240/(s² + 11s + 80), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 240/(s² + 11s + 80)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
8 kg masė kabo ant 2000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 101 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 100 N. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
m = 8 kgk = 2000 N/mc = 101 N·s/mF = 100 N
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Tstall = 240 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 = 240/1,2 = 200 A
Stabdymo momentas
Tstall = 1,2·200 = 240 N·m
Atsakymas
Tstall = 240 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rst = 5,833 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 = 220/30 = 7,333 Ω
Paleidimo rezistorius
Rst = 7,333 − 1,5 = 5,833 Ω
Atsakymas
Rst = 5,833 Ω
Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 3,016 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 = 7,54 m/s
Galia
P = (800 − 400)·7,54 = 3016 W = 3,016 kW
Atsakymas
P = 3,016 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 345,6 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 = 960·24/25 = 921,6 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 921,6·15/40 = 345,6 rpm
Atsakymas
nout = 345,6 rpm
bendras perdavimo skaičius = 2,778 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 3 kHz
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 = 10 kHz < f = 23 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
k = round(23/20) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |23 − 1·20| = 3 kHz
Atsakymas
fa = 3 kHz
Brūkšninė kreivė paveiksle yra persiklojimo dažnis: ji eina per lygiai tas pačias atskaitas.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 4 kHz
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.
Harmonikos dažnis
5f₁ = 5·4,8 kHz = 24 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
m = round(1,2) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |24 − 1·20| = 4 kHz
Atsakymas
fa = 4 kHz
Persiklojimo dažnis patenka į signalo juostą, kur jokio skaitmeninio filtro jo pašalinti negali. Padeda tik analoginis filtras prieš ADC.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 833,3 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 = 15·412,5/742,5 = 8,333 V
Vb = 7,5 V
Išskirta
Vab = 833,3 mV
Atsakymas
Vab = 833,3 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 937,5 mV yra 12,5 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 2,65 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 = 2,12·1000·10⁻⁶ = 0,00212
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε/2 = 2,5·0,00212/2 = 2,65 mV
Atsakymas
Vo = 2,65 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,3125
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.
Pagreičio konstanta
Ka = 20·4/5 = 16
Parabolės paklaida
ess = 5/16 = 0,3125
Atsakymas
ess = 0,3125
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kd = 0,8974 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) + 4(10 + Kds) = s² + (4 + 4Kd)s + 40
Savasis dažnis
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
Diferencialinis stiprinimas
4 + 4Kd = 2·0,6·6,325 = 7,589
Kd = 0,8974 s
Atsakymas
Kd = 0,8974 s
Diferencialinis narys prideda slopinimo nekeisdamas ωₙ.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,4454 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).