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 = 0,5 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) maitinamas 110 V. Pilna apkrova jis vartoja 5 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 110 Vk = 0,5 V·s/radRa = 1,2 ΩIFL = 5 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω), prijungtas prie pastovios 220 V įtampos, suka 30 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 600 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
3 kW variklis, besisukantis 960 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 24; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 45. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 97 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 3 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 45η = 97%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 125 mm ir 300 mm skriemulius, kurių ašys nutolusios 1000 mm. Raskite apkabos kampą θ ant mažesniojo skriemulio laipsniais.
d1 = 125 mmd2 = 300 mmC = 1000 mm
θ = °
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
Registratorius diskretizuoja 4 kanalus po 10 kHz 10 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 60 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 4fs = 10 kHzN = 10t = 60 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Garso matavimui reikia idealaus signalo ir kvantavimo triukšmo santykio bent 90 dB pilnos skalės sinusinei bangai. Raskite mažiausią ADC bitų skaičių N.
SQNR ≥ 90 dB
N =
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 470 Ω, maitinimas 10 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 49,5 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 10 VR = 470 ΩVab = 49,5 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas su vienu aktyviu jutikliu (GF = 2) žadinamas 5 V. Veikiant apkrovai išėjimas rodo 1,5 mV. Raskite deformaciją ε µε.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,5 mV
ε = µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 10(s + 5)/(s²(s + 1)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 4·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 10(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = 1 + 0,5/s valdo objektą G(s) = 10/((s + 1)(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess, kai įėjimas yra rampa r(t) = 5t.
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 5/(s² + 2s + 5), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s² + 2s + 5)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 200/(s(s + 8)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 200/(s(s + 8))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 5,769 %
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 = 60·110/(2π·0,5) = 2101 rpm
nFL = 60·(110 − 5·1,2)/(2π·0,5) = 1986 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (2101 − 1986)/1986·100 = 5,769 %
Atsakymas
SR = 5,769 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 4,789 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 = 30/2 = 15 A
E = 2·62,83 = 125,7 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (220 − 125,7)/15 = 6,289 Ω
Rs = 4,789 Ω
Atsakymas
Rs = 4,789 Ω
Rezistorius išsklaido 1078 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 54,27 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/100,5 = 29,84 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 29,84·45/24·0,97 = 54,27 N·m
Atsakymas
T2 = 54,27 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: θ = 170 °
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 kampas
asin(0,0875) = 5,02°
Apkabos kampas
θ = 180 − 2·5,02 = 170°
Atsakymas
θ = 170°
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 288 MB
Duomenų spartos: kiekvienas kanalas per sekundę pateikia fs atskaitų po N bitų, todėl žalioji sparta yra kanalai × fs × N bit/s. Atmintyje atskaita užima sveikus baitus (12 bitų atskaita saugoma 2 baituose), todėl įrašo atmintis yra kanalai × fs × baitai vienai atskaitai × laikas. Multipleksuojamas ADC kanalus keičia vieną po kito: kiekvienas keitimas (su nusistovėjimu) trunka t, todėl n kanalų ratas trunka n·t, o kiekvienas kanalas diskretizuojamas 1/(n·t) dažniu.
Baitai vienai atskaitai
⌈10/8⌉ = 2 B
Baitų sparta
4·10000·2 = 80000 B/s
Atmintis
M = 80000·3600 = 2,88 × 10⁸ B = 288 MB
Atsakymas
M = 288 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 15
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 ≥ (90 − 1,76)/6,02 = 14,66
Apvalinkite aukštyn
N = 15
patikra: 6,02·15 + 1,76 = 92,06 dB ≥ 90 dB
Atsakymas
N = 15
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 9,399 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 = 5 + 0,0495 = 5,05 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 470·5,05/(10 − 5,05) = 479,4 Ω
ΔR = 479,4 − 470 = 9,399 Ω
Atsakymas
ΔR = 9,399 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 600 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.
Išspręskite ketvirtinio tilto lygtį
ε = 4·0,0015/(5·2) = 0,0006
Mikrodeformacijomis
ε = 600 µε
Atsakymas
ε = 600 µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,08
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 = 10·5/1 = 50
Parabolės paklaida
ess = 4/50 = 0,08
Atsakymas
ess = 0,08
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 10
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).
Greičio konstanta
s·C(s) = 1s + 0,5 → 0,5, kai s → 0.
Kv = 0,5·10/10 = 0,5
Rampos paklaida
ess = 5/0,5 = 10
Atsakymas
ess = 10
PI reguliatorius visiškai panaikina šuolio paklaidą; rampa seka su pastoviu atsilikimu.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 4 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 = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2,236) = 0,4472
Rezultatas
ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s
Atsakymas
ts = 4 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1 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).