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 48 V maitinimo vartoja 2 A. Jo inkaro varža yra 1,5 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 5 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 48 VIa = 2 ARa = 1,5 ΩProt = 5 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 0,3 V·s/rad, o Ra = 1,2 Ω, turi sukti 0,6 N·m apkrovą 600 aps./min greičiu. Raskite jam reikalingą inkaro įtampą V.
k = 0,3 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 0,6 N·mn = 600 rpm
V = V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
80 mm skriemulys sukasi 720 rpm ir diržu suka 300 mm skriemulį, slydimas 4 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 720 rpmd1 = 80 mmd2 = 300 mms = 4 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Sudėtinėje krumpliaračių pavaroje krumpliaratis A (15 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1440 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (30 dantų). Krumpliaratis C (45 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D ant išėjimo veleno. Išėjimo velenas turi suktis 405 rpm greičiu. Kiek dantų ND turi turėti krumpliaratis D?
nin = 1440 rpmA = 15B = 30C = 45nout = 405 rpm
ND =
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
8 bitų ADC, kurio įėjimo ruožas nuo 0 iki 10 V, nupjauna: jo išėjimo kodas yra ⌊Vin/LSB⌋, kai 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Raskite dešimtainį išėjimo kodą D, kai įėjimo įtampa yra 2,781 V.
N = 8VFSR = 10 VVin = 2,781 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Mikrovaldiklis su 10 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 9600 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 10 MHznorima = 9600 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 15 V) prijungtas 100 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 1000 Ω, žadinamas 2,5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 250 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 250 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Procesas G(s) = 4/(2s + 1) valdomas proporciniu stiprinimu K = 20 vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolio nusistovėjusiąją paklaidą ess kaip šuolio dydžio procentą.
G(s) = 4/(2s + 1)K = 20
ess = %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 4/(s + 4) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 10 rad/s ir ζ = 0,6. Raskite proporcinį stiprinimą Kp.
G(s) = 4/(s + 4)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 97/(s² + 10s + 97), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 97/(s² + 10s + 97)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
2,5 kg masė kabo ant 400 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 19 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 10 N. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
m = 2,5 kgk = 400 N/mc = 19 N·s/mF = 10 N
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 88,54 %
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 = 48·2 = 96 W
Pdev = 45·2 = 90 W
Pout = 90 − 5 = 85 W
Naudingumo koeficientas
η = 85/96·100 = 88,54 %
Atsakymas
η = 88,54 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: V = 21,25 V
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
E = 0,3·62,83 = 18,85 V
Inkaro srovė
Ia = 0,6/0,3 = 2 A
Inkaro įtampa
V = 18,85 + 2·1,2 = 21,25 V
Atsakymas
V = 21,25 V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 184,3 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
720·80/300 = 192 rpm
Su slydimu
n2 = 192·0,96 = 184,3 rpm
Atsakymas
n2 = 184,3 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: ND = 80
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Tarpinio veleno greitis
nB = nC = 1440·15/30 = 720 rpm
Krumpliaračio D dantys
ND = C·nC/nout = 45·720/405 = 80
Atsakymas
ND = 80
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 71
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 = 10/28 = 39,06 mV
Kodas
Vin/LSB = 2781/39,06 = 71,19
kodas = ⌊71,19⌋ = 71
Atsakymas
D = 71
Dvejetainiu pavidalu tai yra 01000111.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: e = 0,1603 %
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.
Daliklis
D = 10·10⁶/(16·9600) = 65,1 → 65
Tikroji baud sparta
10·10⁶/(16·65) = 9615 Bd
Paklaida
(9615 − 9600)/9600·100 = 0,1603 %
Atsakymas
e = 0,1603 %
Paklaida, mažesnė nei maždaug 2 %, paprastai priimtina.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = 58929 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 = 15·(250/270 − 100/900) = 12,22 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 107,4 Ω
Galvanometro srovė
Ig = 12,22/(107,4 + 100) = 58929 µA
Atsakymas
Ig = 58929 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 1,325 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 = 2,12·250·10⁻⁶ = 0,00053
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,00053 = 1,325 mV
Atsakymas
Vo = 1,325 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,235 %
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.
Padėties konstanta
Kp = 20·4 = 80
Šuolio paklaida
ess = 100/(1 + 80) = 1,235 %
Atsakymas
ess = 1,235 %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kp = 2
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 + 4).
s² + (4 + 4Kp)s + 4Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,6·10s + 10² = s² + 12s + 100
Sulyginkite koeficientus
4 + 4Kp = 12 → Kp = 2
Atsakymas
Kp = 2
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9,849) = 0,5077
Rezultatas
ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s
Atsakymas
ts = 0,8 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,3004
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).