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 = 1,5 V·s/rad, maitinamas 110 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 110 Vk = 1,5 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) iš 48 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·48 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 400 aps./min, kai apkrova yra 0,3 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
11 kW variklis, besisukantis 2900 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 18; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 45. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 97 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 45η = 97%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 80 mm varantįjį skriemulį, sukamą 2880 rpm, su 300 mm skriemuliu; ašys nutolusios 600 mm. Trinties koeficientas yra 0,3, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 2000 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
Registratorius diskretizuoja 4 kanalus po 25 kHz 10 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 1 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 4fs = 25 kHzN = 10t = 1 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 10 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 10 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 10 mV/°CG = 10N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 250 Ω, maitinimas 2 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 24,39 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 2 VR = 250 ΩVab = 24,39 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 210 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 3 V. Išėjimas rodo 0,9 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 3 VGF = 2Vo = 0,9 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Raskite stiprinimą K, su kuriuo šuolio įėjimo nusistovėjusioji paklaida yra 5 %.
G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 5 %
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PD reguliatorius C(s) = 8 + Kd·s valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 3)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite diferencialinį stiprinimą Kd, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,707.
G(s) = 2/(s(s + 3))Kp = 8ζ = 0,707
Kd = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 100/(s² + 14s + 100), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 100/(s² + 14s + 100)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 12)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 2 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 2 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 700,3 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.
Tuščiosios eigos greitis
ω₀ = V/k = 110/1,5 = 73,33 rad/s
n0 = 60·73,33/(2π) = 700,3 rpm
Atsakymas
n0 = 700,3 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 19,34 %
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.
Reikiama inkaro įtampa
Va = 0,15·41,89 + 2·1,5 = 9,283 V
Pildymo koeficientas
D = 9,283/48 = 19,34 %
Atsakymas
D = 19,34 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 87,84 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303,7 = 36,22 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 36,22·45/18·0,97 = 87,84 N·m
Atsakymas
T2 = 87,84 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 13,63 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 = 2,773 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,8319 = 2,298, T₂ = 2000/2,298 = 870,5 N
Galia
P = (2000 − 870,5)·12,06 = 13,63 kW
Atsakymas
P = 13,63 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 12 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
4·25000·2 = 200000 B/s
Atmintis
M = 200000·60 = 1,2 × 10⁷ B = 12 MB
Atsakymas
M = 12 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,09766 °C
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.
Žingsnio dydis
1 LSB = 2500/256 = 9,766 mV
Jautris ties ADC
10·10 = 100 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 9,766/100 = 0,09766 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,09766 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 25 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 12,5 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 = 1 + 0,02439 = 1,024 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 250·1,024/(2 − 1,024) = 262,5 Ω
ΔR = 262,5 − 250 = 12,5 Ω
Atsakymas
ΔR = 12,5 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 126 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 = 4·0,0009/(3·2) = 0,0006
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,0006 = 126 MPa
Atsakymas
σ = 126 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 38
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.
Reikiama paklaidos konstanta
1/(1 + Kp) = 0,05 → Kp = 19
Stiprinimas
K/2 = 19 → K = 38
Atsakymas
K = 38
Patikrinkite ir uždarojo kontūro stabilumą: šiam antrosios eilės kontūrui stabilus bet koks K > 0.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kd = 1,328 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 + 3) + 2(8 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 16
Savasis dažnis
ωₙ = √16 = 4 rad/s
Diferencialinis stiprinimas
3 + 2Kd = 2·0,707·4 = 5,656
Kd = 1,328 s
Atsakymas
Kd = 1,328 s
Diferencialinis narys prideda slopinimo nekeisdamas ωₙ.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 4,599 %
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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·10) = 0,7
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,079 = 4,599 %
Atsakymas
%OS = 4,599 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 59,22
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).