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 duoda 0,75 kW mechaninės galios, sukdamasis 1450 aps./min. Raskite veleno momentą T.
P = 0,75 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Mažo nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 3 Ω, jis maitinamas 120 V. Neįskaitydami sukimosi nuostolių, raskite didžiausią mechaninę galią Pmax, kurią jis gali išvystyti bet kokiu greičiu.
V = 120 VRa = 3 Ω
Pmax = W
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
15 kW variklis, besisukantis 1500 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 16; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 32. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 98 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 32η = 98%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 160 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1500 rpm, su 200 mm skriemuliu; ašys nutolusios 800 mm. Trinties koeficientas yra 0,25, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 2000 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 5 V. Jis turi išskirti 0,2 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 5 Vskiriamoji geba = 0,2 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
10 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 460800 baud sparta, formatu 8N1 (starto bitas, 8 duomenų bitai, 1 stabdos bitas). Kiekviena atskaita siunčiama 2 sveikais baitais, o ryšys visą laiką užimtas. Raskite aukščiausią signalo dažnį fmax, kurį galima diskretizuoti be persiklojimo, Hz.
baud = 460800 BdN = 108N1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 2 V) prijungtas 100 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tiltas (du aktyvūs jutikliai gretimose svirtyse, vienas tempiamas, kitas gniuždomas (pustiltis)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 10 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 200 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 10 VGF = 2,12ε = 200 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 10)), paduodama rampa r(t) = 2t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 10))r(t) = 2t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K valdo objektą G(s) = 1/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,6.
G(s) = 1/(s(s + 10))ζ = 0,6
K =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 54/(s² + 3s + 27), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 54/(s² + 3s + 27)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 20)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 30 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 30 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: T = 4,939 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.
Greitis rad/s
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
Sukimo momentas
T = P/ω = 750/151,8 = 4,939 N·m
Atsakymas
T = 4,939 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Pmax = 1200 W
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.
Galia kaip priešelektrovaros funkcija
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V
Didžiausia galia
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·3) = 1200 W
Atsakymas
Pmax = 1200 W
Šiame taške naudingumo koeficientas tik 50 %, todėl tikri varikliai veikia gerokai didesniu nei pusė greičiu.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 187,2 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/157,1 = 95,49 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 95,49·32/16·0,98 = 187,2 N·m
Atsakymas
T2 = 187,2 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 13,53 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 = 3,092 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,7729 = 2,166, T₂ = 2000/2,166 = 923,3 N
Galia
P = (2000 − 923,3)·12,57 = 13,53 kW
Atsakymas
P = 13,53 kW
5.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.
Reikalingi žingsniai
5000 mV/0,2 mV = 25000
Bitai
log₂(25000) = 14,61
214 = 16384 < 25000 ≤ 215 = 32768
N = 15
Atsakymas
N = 15
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fmax = 11520 Hz
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.
Bitai linijoje vienai atskaitai
2·10 = 20 bit
Aukščiausias diskretizavimo dažnis
fs,max = 460800/20 = 23040 Hz
Naikvisto riba
fmax = 23040/2 = 11520 Hz
Atsakymas
fmax = 11520 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = 4234 µA
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.
Tevenino įtampa
Vth = 2·(1000/1120 − 60/160) = 1,036 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 144,6 Ω
Galvanometro srovė
Ig = 1,036/(144,6 + 100) = 4234 µA
Atsakymas
Ig = 4234 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 2,12 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 = 2,12·200·10⁻⁶ = 0,000424
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,000424/2 = 2,12 mV
Atsakymas
Vo = 2,12 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1
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) = 2
Rampos paklaida
ess = 2/2 = 1
Atsakymas
ess = 1
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 69,44
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 + 10) + 1K = s² + 10s + 1K
Savasis dažnis
2·0,6·ωₙ = 10 → ωₙ = 8,333 rad/s
Stiprinimas
1K = ωₙ² = 69,44 → K = 69,44
Atsakymas
K = 69,44
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −1,5
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 = 27 → ωₙ = 5,196 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,196) = 0,2887
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Atsakymas
σ = −1,5
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 780,9
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).