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 = 1,5 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) maitinamas 240 V. Pilna apkrova jis vartoja 15 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 240 Vk = 1,5 V·s/radRa = 0,5 ΩIFL = 15 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 1,5 V·s/rad, Ra = 1 Ω), prijungtas prie pastovios 240 V įtampos, suka 15 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 750 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
1,5 kW variklis, besisukantis 2900 rpm greičiu, suka krumpliaratuką su 24 dantų, kurio modulis 2 mm. Raskite tangentinę jėgą Ft, veikiančią krumpliaratuko dantis.
P = 1,5 kWn = 2900 rpmN1 = 24m = 2 mm
Ft = N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
7,5 kW variklis, besisukantis 2900 rpm greičiu, suka krumpliaratį A (12 dantų), kuris sukimba su krumpliaračiu B (20 dantų). Krumpliaratis C (25 dantų), esantis ant to paties veleno kaip B, suka krumpliaratį D (32 dantų) ant išėjimo veleno. Kiekvieno sukibimo naudingumo koeficientas 95%. Raskite išėjimo sukimo momentą Tout.
10 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 6,204 V.
N = 10VFSR = 10 VVin = 6,204 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Garso matavimui reikia idealaus signalo ir kvantavimo triukšmo santykio bent 60 dB pilnos skalės sinusinei bangai. Raskite mažiausią ADC bitų skaičių N.
SQNR ≥ 60 dB
N =
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
120 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 120 Ω, o žadinimas 2 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 2 VR = 120 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2,12) ant elemento, kurio E = 210 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 2,65 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 2,65 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 2)(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 1 + 1t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 1 + 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,4.
G(s) = 5/(s(s + 10))ζ = 0,4
K =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 97/(s² + 16s + 97), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 97/(s² + 16s + 97)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
0,5 kg masė kabo ant 5000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 20 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 100 N. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 20 N·s/mF = 100 N
ζ =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 3,226 %
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 = 60·240/(2π·1,5) = 1528 rpm
nFL = 60·(240 − 15·0,5)/(2π·1,5) = 1480 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (1528 − 1480)/1480·100 = 3,226 %
Atsakymas
SR = 3,226 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 11,22 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 = 15/1,5 = 10 A
E = 1,5·78,54 = 117,8 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (240 − 117,8)/10 = 12,22 Ω
Rs = 11,22 Ω
Atsakymas
Rs = 11,22 Ω
Rezistorius išsklaido 1122 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Ft = 205,8 N
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.
Krumpliaratuko sukimo momentas
ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 1500/303,7 = 4,939 N·m
Dalijamasis skersmuo
d = m·N = 2·24 = 48 mm
Tangentinė jėga
Ft = 2T/d = 2·4,939/0,048 = 205,8 N
Atsakymas
Ft = 205,8 N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Tout = 47,55 N·m
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.
Išėjimo sukimosi dažnis
nout = 2900·(12/20)·(25/32) = 1359 rpm
ωout = 2π·1359/60 = 142,4 rad/s
Išėjimo galia ir sukimo momentas
Pout = 7500·0,95² = 6769 W
Tout = Pout/ωout = 6769/142,4 = 47,55 N·m
Atsakymas
Tout = 47,55 N·m
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 635
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 = 10/210 = 9,766 mV
Kodas
Vin/LSB = 6204/9,766 = 635,3
kodas = ⌊635,3⌋ = 635
Atsakymas
D = 635
Dvejetainiu pavidalu tai yra 1001111011.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 10
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.
Išspręskite N atžvilgiu
N ≥ (60 − 1,76)/6,02 = 9,674
Apvalinkite aukštyn
N = 10
patikra: 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB ≥ 60 dB
Atsakymas
N = 10
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 8,333 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 = 2/2 = 1 V
Galia
Pg = 1²/120 = 8,333 mW
Atsakymas
Pg = 8,333 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 210 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 = 4·0,00265/(5·2,12) = 0,001
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,001 = 210 MPa
Atsakymas
σ = 210 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,25
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) = 0,8
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 1/0,8 = 1,25
Atsakymas
ess = 1,25
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 31,25
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) + 5K = s² + 10s + 5K
Savasis dažnis
2·0,4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12,5 rad/s
Stiprinimas
5K = ωₙ² = 156,2 → K = 31,25
Atsakymas
K = 31,25
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 0,5 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 = 16 → ζ = 16/(2·9,849) = 0,8123
Rezultatas
ζωₙ = 8 → ts ≈ 4/8 = 0,5 s
Atsakymas
ts = 0,5 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,2
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).