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 = 0,15 N·m/A, Ra = 0,2 Ω) maitinamas 24 V ir sukasi apkrovos momentu 1,5 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 24 Vk = 0,15 N·m/ARa = 0,2 ΩT = 1,5 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 0,12 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω), prijungtas prie pastovios 24 V įtampos, suka 0,24 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 800 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
5,5 kW variklis, besisukantis 2900 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 40; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 45. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 97 %. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 5,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 40N2 = 45η = 97%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Sudėtinėje krumpliaračių pavaroje krumpliaratis A (30 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 3000 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (32 dantų). Krumpliaratis C (25 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D ant išėjimo veleno. Išėjimo velenas turi suktis 1563 rpm greičiu. Kiek dantų ND turi turėti krumpliaratis D?
nin = 3000 rpmA = 30B = 32C = 25nout = 1563 rpm
ND =
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 5 V. Jis turi išskirti 2 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 5 Vskiriamoji geba = 2 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
12 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 19200 baud sparta, formatu 8N1 (starto bitas, 8 duomenų bitai, 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 = 19200 BdN = 128N1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 3 V) prijungtas 200 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Ketvirtinis tiltas (vienas aktyvus jutiklis, GF = 2) žadinamas 3 V. Didžiausia matuojama deformacija yra 800 µε, ir ji analoginio-skaitmeninio keitiklio įėjime turi duoti 10 V. Raskite stiprintuvo stiprinimą G.
Vs = 3 VGF = 2εmax = 800 µεVFS = 10 V
G =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2)), paduodamas signalas r(t) = 5 + 4t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 5 + 4t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 1/(s + 1) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 6 rad/s ir ζ = 0,5. Raskite integralinį stiprinimą Ki.
G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 69/(s² + 6s + 23), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite savąjį dažnį ωn rad/s.
G(s) = 69/(s² + 6s + 23)
ωn = rad/s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 17 Ω, L = 10 mH ir C = 22 µF, prijungiama prie 5 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite kondensatoriaus įtampos procentinį viršijimą %OS.
R = 17 ΩL = 10 mHC = 22 µFV = 5 V
%OS = %
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 1401 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 = 1,5/0,15 = 10 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 24 − 10·0,2 = 22 V
ω = E/k = 146,7 rad/s → n = 1401 rpm
Atsakymas
n = 1401 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 6,473 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 = 0,24/0,12 = 2 A
E = 0,12·83,78 = 10,05 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (24 − 10,05)/2 = 6,973 Ω
Rs = 6,473 Ω
Atsakymas
Rs = 6,473 Ω
Rezistorius išsklaido 25,89 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T2 = 19,76 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303,7 = 18,11 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 18,11·45/40·0,97 = 19,76 N·m
Atsakymas
T2 = 19,76 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: ND = 45
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 = 3000·30/32 = 2813 rpm
Krumpliaračio D dantys
ND = C·nC/nout = 25·2813/1563 = 45
Atsakymas
ND = 45
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 12
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/2 mV = 2500
Bitai
log₂(2500) = 11,29
211 = 2048 < 2500 ≤ 212 = 4096
N = 12
Atsakymas
N = 12
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fmax = 480 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
2·10 = 20 bit
Aukščiausias diskretizavimo dažnis
fs,max = 19200/20 = 960 Hz
Naikvisto riba
fmax = 960/2 = 480 Hz
Atsakymas
fmax = 480 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = 447,8 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 = 3·(50/90 − 300/600) = 0,1667 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 172,2 Ω
Galvanometro srovė
Ig = 0,1667/(172,2 + 200) = 447,8 µA
Atsakymas
Ig = 447,8 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: G = 8333
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.
Tilto išėjimas esant pilnai skalei
Vo = 1,2 mV
Stiprinimas
G = 10/0,0012 = 8333
Atsakymas
G = 8333
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 4
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) = 1
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 4/1 = 4
Atsakymas
ess = 4
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Ki = 36
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 + 1).
s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,5·6s + 6² = s² + 6s + 36
Sulyginkite koeficientus
1Ki = 36 → Ki = 36
Atsakymas
Ki = 36
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 4,796 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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,796) = 0,6255
Rezultatas
ωₙ = 4,796 rad/s
Atsakymas
ωn = 4,796 rad/s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 25,52 %
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).