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 (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) maitinamas 110 V ir sukasi apkrovos momentu 12 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 110 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 12 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 1,5 V·s/rad, Ra = 1 Ω), prijungtas prie pastovios 110 V įtampos, suka 18 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 400 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Du lygiagretūs velenai yra 240 mm atstumu vienas nuo kito. Juos reikia sujungti cilindrinių tiesiadančių krumpliaračių pora, kurios modulis 5 mm, o greičio sumažinimas 3 : 1. Kiek dantų N2 turi turėti krumpliaratis?
a = 240 mmm = 5 mmi = 3
N2 =
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 80 mm ir 200 mm skriemulius, kurių ašys nutolusios 1000 mm. Raskite apkabos kampą θ ant mažesniojo skriemulio laipsniais.
d1 = 80 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 5 V. Jis turi išskirti 0,5 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 5 Vskiriamoji geba = 0,5 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 5 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 10 karto ir paduodamas į 12 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 5 mV/°CG = 10N = 12VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
150 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 150 Ω, o žadinimas 3 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 3 VR = 150 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2,05) ant elemento, kurio E = 200 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 2,5 V. Išėjimas rodo 1,025 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 1,025 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 5)(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 10 + 0,5t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 5 valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 5)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 4/(s(s + 5))K = 5
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 81/(s² + 13s + 81), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 81/(s² + 13s + 81)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 150/(s(s + 10)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 150/(s(s + 10))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 835,6 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.
Inkaro srovė
Ia = T/k = 12/1,2 = 10 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 110 − 10·0,5 = 105 V
ω = E/k = 87,5 rad/s → n = 835,6 rpm
Atsakymas
n = 835,6 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 2,931 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 = 18/1,5 = 12 A
E = 1,5·41,89 = 62,83 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (110 − 62,83)/12 = 3,931 Ω
Rs = 2,931 Ω
Atsakymas
Rs = 2,931 Ω
Rezistorius išsklaido 422 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: N2 = 72
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.
Bendras dantų skaičius
N1 + N2 = 2a/m = 2·240/5 = 96
Padalykite pagal perdavimo skaičių
N1 = 96/(1 + 3) = 24
N2 = 3·24 = 72
Atsakymas
N2 = 72
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: θ = 173,1 °
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.
Diržo kampas
asin(0,06) = 3,44°
Apkabos kampas
θ = 180 − 2·3,44 = 173,1°
Atsakymas
θ = 173,1°
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 14
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/0,5 mV = 10000
Bitai
log₂(10000) = 13,29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14
Atsakymas
N = 14
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,01611 °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 = 3300/4096 = 0,8057 mV
Jautris ties ADC
5·10 = 50 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 0,8057/50 = 0,01611 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,01611 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 66 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 15 mW
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.
Įtampa ant jutiklio
V = 3/2 = 1,5 V
Galia
Pg = 1,5²/150 = 15 mW
Atsakymas
Pg = 15 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 160 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 = 4·0,001025/(2,5·2,05) = 0,0008
Įtempis
σ = 200·10³ MPa·0,0008 = 160 MPa
Atsakymas
σ = 160 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,1667
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) = 3
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 0,5/3 = 0,1667
Atsakymas
ess = 0,1667
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 1,6 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 + 5) + 5·4 = s² + 5s + 20
ωₙ ir ζ
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 5/(2·4,472) = 0,559
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s
Atsakymas
ts = 1,6 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 3,761 %
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 = 81 → ωₙ = 9 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9) = 0,7222
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,28 = 3,761 %
Atsakymas
%OS = 3,761 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 0,8 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).