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 iš 220 V maitinimo vartoja 40 A. Jo inkaro varža yra 0,5 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 400 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 220 VIa = 40 ARa = 0,5 ΩProt = 400 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 1,5 V·s/rad esant pilnam laukui, Ra = 2 Ω, V = 110 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 9 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 70 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.
V = 110 Vk = 1,5 V·s/radRa = 2 ΩT = 9 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
100 mm skriemulys sukasi 720 rpm ir diržu suka 500 mm skriemulį, slydimas 4 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 500 mms = 4 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 80 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1440 rpm, su 400 mm skriemuliu; ašys nutolusios 1200 mm. Trinties koeficientas yra 0,35, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 1000 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
Registratorius diskretizuoja 8 kanalus po 2 kHz 10 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 10 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 8fs = 2 kHzN = 10t = 10 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 20 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 2,5 karto ir paduodamas į 12 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 20 mV/°CG = 2,5N = 12VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 10 V) prijungtas 500 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 110 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 1,875 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,875 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 5/(s(s + 5)), paduodama rampa r(t) = 1t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 5/(s(s + 5))r(t) = 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 2 valdo objektą G(s) = 10/(s(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 10/(s(s + 2))K = 2
%OS = %
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 60/(s² + 9s + 60), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 60/(s² + 9s + 60)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 265/(s(s + 5)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 265/(s(s + 5))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 86,36 %
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.
Galios
Pin = 220·40 = 8800 W
Pdev = 200·40 = 8000 W
Pout = 8000 − 400 = 7600 W
Naudingumo koeficientas
η = 7600/8800·100 = 86,36 %
Atsakymas
η = 86,36 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 844,5 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.
Lauko silpninimas yra būdas, kuriuo nuolatinės srovės pavara veikia didesniu nei bazinis greičiu.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 138,2 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
720·100/500 = 144 rpm
Su slydimu
n2 = 144·0,96 = 138,2 rpm
Atsakymas
n2 = 138,2 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 3,826 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 = 2,874 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e1,006 = 2,734, T₂ = 1000/2,734 = 365,7 N
Galia
P = (1000 − 365,7)·6,032 = 3,826 kW
Atsakymas
P = 3,826 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 19,2 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
8·2000·2 = 32000 B/s
Atmintis
M = 32000·600 = 1,92 × 10⁷ B = 19,2 MB
Atsakymas
M = 19,2 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,02441 °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 = 5000/4096 = 1,221 mV
Jautris ties ADC
20·2,5 = 50 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 1,221/50 = 0,02441 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,02441 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 100 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = 10792 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 = 10·(800/860 − 120/520) = 6,995 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 148,1 Ω
Galvanometro srovė
Ig = 6,995/(148,1 + 500) = 10792 µA
Atsakymas
Ig = 10792 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 82,5 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 = 4·0,001875/(5·2) = 0,00075
Įtempis
σ = 110·10³ MPa·0,00075 = 82,5 MPa
Atsakymas
σ = 82,5 MPa
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) = 1
Rampos paklaida
ess = 1/1 = 1
Atsakymas
ess = 1
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: %OS = 48,64 %
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) + 2·10 = s² + 2s + 20
ωₙ ir ζ
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 2/(2·4,472) = 0,2236
Viršijimas
%OS = 100·e−0,2236π/√(1 − 0,2236²) = 48,64 %
Atsakymas
%OS = 48,64 %
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 10,62 %
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 = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,746) = 0,5809
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,242 = 10,62 %
Atsakymas
%OS = 10,62 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1,6 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).