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 240 V maitinimo vartoja 20 A. Jo inkaro varža yra 0,5 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 230 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 240 VIa = 20 ARa = 0,5 ΩProt = 230 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω), prijungtas prie pastovios 240 V įtampos, suka 12 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 750 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
15 kW variklis, besisukantis 960 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 60; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 72. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 95 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 15 kWn1 = 960 rpmN1 = 60N2 = 72η = 95%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (32 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1500 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (80 dantų). Krumpliaratis C (18 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (72 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1500 rpmA = 32B = 80C = 18D = 72
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
6,25 kHz sinusinė banga diskretizuojama 5 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Kokiu dažniu fa ji pasirodo atskaitose? Pateikite Hz.
f = 6,25 kHzfs = 5 kHz
fa = Hz
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
12 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 57600 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 = 57600 BdN = 128E1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 1000 Ω, Vs = 10 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 4 Ω. Taikydami mažo pokyčio artinį, raskite išėjimą Vab mV.
Vs = 10 VR = 1000 ΩΔR = 4 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Apkrovos jutiklio (pilno tenzojutiklių tilto) nominalus išėjimas yra 3 mV/V, kai nominali apkrova 1000 kg. Jis žadinamas 5 V. Raskite jo išėjimą Vo, kai apkrova yra 400 kg.
3 mV/VFrated = 1000 kgVs = 5 VF = 400 kg
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 4)), paduodama rampa r(t) = 1t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 16 valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 5/(s(s + 10))K = 16
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 95/(s² + 15s + 95), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 95/(s² + 15s + 95)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 10 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,1 s. Raskite savąjį dažnį ωn.
%OS = 10 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 91,04 %
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 = 240·20 = 4800 W
Pdev = 230·20 = 4600 W
Pout = 4600 − 230 = 4370 W
Naudingumo koeficientas
η = 4370/4800·100 = 91,04 %
Atsakymas
η = 91,04 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 9,244 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 = 12/0,6 = 20 A
E = 0,6·78,54 = 47,12 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (240 − 47,12)/20 = 9,644 Ω
Rs = 9,244 Ω
Atsakymas
Rs = 9,244 Ω
Rezistorius išsklaido 3698 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 170,1 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/100,5 = 149,2 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 149,2·72/60·0,95 = 170,1 N·m
Atsakymas
T2 = 170,1 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 150 rpm
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.
Pirmoji pakopa
nB = 1500·32/80 = 600 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 600·18/72 = 150 rpm
Atsakymas
nout = 150 rpm
bendras perdavimo skaičius = 10 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 1250 Hz
Diskretizavimas: ADC signalą matuoja fs kartų per sekundę. Pagal Naikvisto ir Šenono teoremą dažnis f užfiksuojamas teisingai tik kol f < fs/2, Naikvisto (atspindžio) dažnis, todėl diskretizavimo dažnis turi viršyti dvigubą aukščiausią signalo dažnį. Aukštesnis dažnis neprarandamas: jis pasirodo kaip persiklojimo dažnis fa = |f − k·fs|, kai sveikasis k rezultatą perkelia į ruožą nuo 0 iki fs/2. Atskaitos jų atskirti negali, todėl analoginis antipersiklojimo filtras prieš ADC turi pašalinti viską, kas didesnė už fs/2.
Naikvisto dažnis
fs/2 = 2,5 kHz < f = 6,25 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
k = round(6250/5000) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |6250 − 1·5000| = 1250 Hz
Atsakymas
fa = 1250 Hz
Brūkšninė kreivė paveiksle yra persiklojimo dažnis: ji eina per lygiai tas pačias atskaitas.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fmax = 1309 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 = 57600/22 = 2618 Hz
Naikvisto riba
fmax = 2618/2 = 1309 Hz
Atsakymas
fmax = 1309 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 10 mV
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.
Santykinis pokytis
ΔR/R = 4/1000 = 0,004
Tiesinis išėjimas
Vab ≈ 10·0,004/4 = 10 mV
Atsakymas
Vab = 10 mV
Tiksli reikšmė yra 9,98 mV; artinys geras, kol ΔR/R mažas.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 6 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.
Pilnos skalės išėjimas
3·5 = 15 mV
Išėjimas esant šiai apkrovai
Vo = 15·400/1000 = 6 mV
Atsakymas
Vo = 6 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,08
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) = 12,5
Rampos paklaida
ess = 1/12,5 = 0,08
Atsakymas
ess = 0,08
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 0,4236 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 + 10) + 16·5 = s² + 10s + 80
ωₙ ir ζ
ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 10/(2·8,944) = 0,559
Maksimumo laikas
ωd = 8,944·√(1 − 0,559²) = 7,416 rad/s
tp = π/7,416 = 0,4236 s
Atsakymas
tp = 0,4236 s
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 2,271 %
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 = 95 → ωₙ = 9,747 rad/s
2ζωₙ = 15 → ζ = 15/(2·9,747) = 0,7695
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,785 = 2,271 %
Atsakymas
%OS = 2,271 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 38,95 rad/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).