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 = 0,75 N·m/A, o Ra = 0,25 Ω, prijungtas prie 220 V. Raskite jo stabdymo momentą Tstall, momentą esant nuliniam greičiui.
V = 220 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,25 Ω
Tstall = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 0,1 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω), prijungtas prie pastovios 24 V įtampos, suka 1 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 800 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
200 mm skriemulys sukasi 1440 rpm ir diržu suka 315 mm skriemulį, slydimas 3 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 1440 rpmd1 = 200 mmd2 = 315 mms = 3 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 200 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1500 rpm, su 400 mm skriemuliu; ašys nutolusios 1200 mm. Trinties koeficientas yra 0,35, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 2000 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
12 bitų ADC, kurio įėjimo ruožas nuo 0 iki 3,3 V, nupjauna: jo išėjimo kodas yra ⌊Vin/LSB⌋, kai 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Raskite dešimtainį išėjimo kodą D, kai įėjimo įtampa yra 0,711 V.
N = 12VFSR = 3,3 VVin = 0,711 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Mikrovaldiklis su 16 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 = 16 MHznorima = 57600 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 200 Ω, maitinimas 5 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 96,15 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 5 VR = 200 ΩVab = 96,15 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 210 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 1,5 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,5 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 1)), paduodamas signalas r(t) = 1 + 5t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 1))r(t) = 1 + 5t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 10 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 2/(s(s + 2))K = 10
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 21/(s² + 6s + 21), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 21/(s² + 6s + 21)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 13 Ω, L = 50 mH ir C = 47 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite neslopinamą savąjį dažnį ωn rad/s.
R = 13 ΩL = 50 mHC = 47 µFV = 12 V
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Tstall = 660 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 = 220/0,25 = 880 A
Stabdymo momentas
Tstall = 0,75·880 = 660 N·m
Atsakymas
Tstall = 660 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 1,362 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 = 1/0,1 = 10 A
E = 0,1·83,78 = 8,378 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (24 − 8,378)/10 = 1,562 Ω
Rs = 1,362 Ω
Atsakymas
Rs = 1,362 Ω
Rezistorius išsklaido 136,2 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 886,9 rpm
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.
Sūkių dažnis be slydimo
1440·200/315 = 914,3 rpm
Su slydimu
n2 = 914,3·0,97 = 886,9 rpm
Atsakymas
n2 = 886,9 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 20,32 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 = 2,975 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e1,041 = 2,832, T₂ = 2000/2,832 = 706,1 N
Galia
P = (2000 − 706,1)·15,71 = 20,32 kW
Atsakymas
P = 20,32 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 882
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 = 3,3/212 = 0,8057 mV
Kodas
Vin/LSB = 711/0,8057 = 882,5
kodas = ⌊882,5⌋ = 882
Atsakymas
D = 882
Dvejetainiu pavidalu tai yra 001101110010.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: e = 2,124 %
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 = 16·10⁶/(16·57600) = 17,36 → 17
Tikroji baud sparta
16·10⁶/(16·17) = 58824 Bd
Paklaida
(58824 − 57600)/57600·100 = 2,124 %
Atsakymas
e = 2,124 %
Paklaida, didesnė nei maždaug 2 %, ryšį daro nepatikimą: parinkite kitą taktinį dažnį ar baud spartą.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 16 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 = 2,5 + 0,09615 = 2,596 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 200·2,596/(5 − 2,596) = 216 Ω
ΔR = 216 − 200 = 16 Ω
Atsakymas
ΔR = 16 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 = 4·0,0015/(5·2) = 0,0006
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,0006 = 126 MPa
Atsakymas
σ = 126 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,025
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) = 200
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 5/200 = 0,025
Atsakymas
ess = 0,025
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 4 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 + 2) + 10·2 = s² + 2s + 20
ωₙ ir ζ
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 2/(2·4,472) = 0,2236
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s
Atsakymas
ts = 4 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1,333 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 = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,583) = 0,6547
Rezultatas
ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Atsakymas
ts = 1,333 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 652,3 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).