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 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 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) iš 240 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·240 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 400 aps./min, kai apkrova yra 12 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
22 kW variklis, besisukantis 1450 rpm greičiu, suka krumpliaratuką su 25 dantų, kurio modulis 5 mm. Raskite tangentinę jėgą Ft, veikiančią krumpliaratuko dantis.
P = 22 kWn = 1450 rpmN1 = 25m = 5 mm
Ft = N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (12 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 2900 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (24 dantų). Krumpliaratis C (18 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (45 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
4 kanalų multiplekseris maitina vieną ADC. Kiekvienas keitimas trunka 20 µs, o po kiekvieno kanalo perjungimo įėjimui reikia 2,5 µs nusistovėti. Kanalai skenuojami paeiliui be pauzių. Raskite kiekvieno kanalo diskretizavimo dažnį fs kHz.
n = 4tc = 20 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 220 Ω, maitinimas 12 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 59,41 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 12 VR = 220 ΩVab = 59,41 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,05, o deformacija 800 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 5 VGF = 2,05ε = 800 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūras, kurio G(s) = K/(s(s + 2)), turi sekti rampą r(t) = 5t su 0,05 nusistovėjusiąja paklaida. Raskite stiprinimą K.
G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0,05
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PD reguliatorius C(s) = 10 + 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 = 10ζ = 0,707
Kd = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 72/(s² + 7s + 72), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 72/(s² + 7s + 72)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 190/(s(s + 12)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 190/(s(s + 12))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Tstall = 200 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 = 1·200 = 200 N·m
Atsakymas
Tstall = 200 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 21,45 %
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 = 1·41,89 + 12·0,8 = 51,49 V
Pildymo koeficientas
D = 51,49/240 = 21,45 %
Atsakymas
D = 21,45 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Ft = 2318 N
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Krumpliaratuko sukimo momentas
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 22000/151,8 = 144,9 N·m
Dalijamasis skersmuo
d = m·N = 5·25 = 125 mm
Tangentinė jėga
Ft = 2T/d = 2·144,9/0,125 = 2318 N
Atsakymas
Ft = 2318 N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 580 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 = 2900·12/24 = 1450 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 1450·18/45 = 580 rpm
Atsakymas
nout = 580 rpm
bendras perdavimo skaičius = 5 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: SQNR = 146,2 dB
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.
Idealus SQNR
SQNR = 6,02·24 + 1,76 = 146,2 dB
Atsakymas
SQNR = 146,2 dB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fs = 11,11 kHz
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.
Laikas vienam kanalui
20 + 2,5 = 22,5 µs
Skenavimo laikas
4·22,5 = 90 µs
Vieno kanalo diskretizavimo dažnis
fs = 1/90 µs = 11,11 kHz
Atsakymas
fs = 11,11 kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 4,4 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 = 6 + 0,05941 = 6,059 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 220·6,059/(12 − 6,059) = 224,4 Ω
ΔR = 224,4 − 220 = 4,4 Ω
Atsakymas
ΔR = 4,4 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 4,1 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 = 2,05·800·10⁻⁶ = 0,00164
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0,00164/2 = 4,1 mV
Atsakymas
Vo = 4,1 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 200
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 greičio konstanta
Kv = A/ess = 5/0,05 = 100
Stiprinimas
K = 2·Kv = 200
Atsakymas
K = 200
Didelis stiprinimas šį kontūrą padaro labai silpnai slopinamą: ζ = 0,07071. Dėl šios prieštaros naudojami kompensatoriai.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kd = 1,662 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(10 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 20
Savasis dažnis
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
Diferencialinis stiprinimas
3 + 2Kd = 2·0,707·4,472 = 6,324
Kd = 1,662 s
Atsakymas
Kd = 1,662 s
Diferencialinis narys prideda slopinimo nekeisdamas ωₙ.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −3,5
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 = 72 → ωₙ = 8,485 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8,485) = 0,4125
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5
Atsakymas
σ = −3,5
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 0,6667 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).