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 = 0,8 V·s/rad, Ra = 1 Ω) maitinamas 120 V. Pilna apkrova jis vartoja 8 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 120 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 8 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis, maitinamas 120 V (Ra = 0,25 Ω), sukasi 1000 aps./min, kai inkaro srovė yra 30 A. Apkrova pasikeičia ir srovė tampa 7,5 A, o magnetinis laukas nekinta. Raskite naująjį greitį n2.
V = 120 VRa = 0,25 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 30 AIa2 = 7,5 A
n2 = rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 80 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 1440 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 1000 N, laisvosios – 250 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 250 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 100 mm varantįjį skriemulį, sukamą 960 rpm, su 400 mm skriemuliu; ašys nutolusios 500 mm. Trinties koeficientas yra 0,3, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 1500 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
16 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 9600 baud sparta, formatu 8E1 (starto bitas, 8 duomenų bitai, lyginumo bitas, 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 = 9600 BdN = 168E1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
100 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 100 Ω, o žadinimas 10 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 10 VR = 100 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (vienas aktyvus jutiklis (ketvirtinis tiltas)), kurio svirčių varža 350 Ω, žadinamas 3 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 1200 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 3 VGF = 2,12ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūras, kurio G(s) = K/(s(s + 4)), turi sekti rampą r(t) = 5t su 0,02 nusistovėjusiąja paklaida. Raskite stiprinimą K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 5tess = 0,02
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 10/(s + 2) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 8 rad/s ir ζ = 0,5. Raskite integralinį stiprinimą Ki.
G(s) = 10/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 17/(s² + 8s + 34), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 17/(s² + 8s + 34)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija turi turėti 5 % viršijimą. Raskite slopinimo koeficientą ζ.
%OS = 5 %
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 7,143 %
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.
Tuščiosios eigos ir pilnos apkrovos greitis
n₀ = 60·120/(2π·0,8) = 1432 rpm
nFL = 60·(120 − 8·1)/(2π·0,8) = 1337 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (1432 − 1337)/1337·100 = 7,143 %
Atsakymas
SR = 7,143 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n2 = 1050 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.
Priešelektrovara prieš ir po
E1 = 120 − 30·0,25 = 112,5 V
E2 = 120 − 7,5·0,25 = 118,1 V
Naujasis greitis
n2 = 1000·118,1/112,5 = 1050 rpm
Atsakymas
n2 = 1050 rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 4,524 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.
Diržo greitis
v = 6,032 m/s
Galia
P = (1000 − 250)·6,032 = 4524 W = 4,524 kW
Atsakymas
P = 4,524 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 4,013 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 = 2,532 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,7597 = 2,138, T₂ = 1500/2,138 = 701,7 N
Galia
P = (1500 − 701,7)·5,027 = 4,013 kW
Atsakymas
P = 4,013 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: SQNR = 61,96 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 = 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB
Atsakymas
SQNR = 61,96 dB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fmax = 218,2 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
2·11 = 22 bit
Aukščiausias diskretizavimo dažnis
fs,max = 9600/22 = 436,4 Hz
Naikvisto riba
fmax = 436,4/2 = 218,2 Hz
Atsakymas
fmax = 218,2 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 250 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 = 10/2 = 5 V
Galia
Pg = 5²/100 = 250 mW
Atsakymas
Pg = 250 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 1,908 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 = 2,12·1200·10⁻⁶ = 0,002544
Tilto išėjimas
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,002544/4 = 1,908 mV
Atsakymas
Vo = 1,908 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 1000
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 = 5/0,02 = 250
Stiprinimas
K = 4·Kv = 1000
Atsakymas
K = 1000
Didelis stiprinimas šį kontūrą padaro labai silpnai slopinamą: ζ = 0,06325. Dėl šios prieštaros naudojami kompensatoriai.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Ki = 6,4
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
1 + C(s)G(s) = 0, padauginta iš s(s + 2).
s² + (2 + 10Kp)s + 10Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,5·8s + 8² = s² + 8s + 64
Sulyginkite koeficientus
10Ki = 64 → Ki = 6,4
Atsakymas
Ki = 6,4
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1 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 = 34 → ωₙ = 5,831 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,831) = 0,686
Rezultatas
ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s
Atsakymas
ts = 1 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,6901
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).