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 = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) maitinamas 220 V. Pilna apkrova jis vartoja 40 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 220 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 40 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 1,5 V·s/rad esant pilnam laukui, Ra = 0,5 Ω, V = 110 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 37,5 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 90 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
200 mm skriemulys sukasi 1440 rpm ir diržu suka 300 mm skriemulį, slydimas 1,5 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 1440 rpmd1 = 200 mmd2 = 300 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 200 mm varantįjį skriemulį, sukamą 1500 rpm, su 450 mm skriemuliu; ašys nutolusios 500 mm. Trinties koeficientas yra 0,35, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 2000 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
ADC įėjimo ruožas yra nuo 0 iki 1 V. Jis turi išskirti 5 mV ar mažesnius žingsnius. Raskite mažiausią bitų skaičių N.
VFSR = 1 Vskiriamoji geba = 5 mV
N =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Garso matavimui reikia idealaus signalo ir kvantavimo triukšmo santykio bent 70 dB pilnos skalės sinusinei bangai. Raskite mažiausią ADC bitų skaičių N.
SQNR ≥ 70 dB
N =
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 150 Ω, maitinimas 3 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 84,91 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 3 VR = 150 ΩVab = 84,91 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Apkrovos jutiklio (pilno tenzojutiklių tilto) nominalus išėjimas yra 1,5 mV/V, kai nominali apkrova 50 kg. Jis žadinamas 5 V. Raskite jo išėjimą Vo, kai apkrova yra 10 kg.
1,5 mV/VFrated = 50 kgVs = 5 VF = 10 kg
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Procesas G(s) = 5/(1s + 1) valdomas proporciniu stiprinimu K = 10 vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolio nusistovėjusiąją paklaidą ess kaip šuolio dydžio procentą.
G(s) = 5/(1s + 1)K = 10
ess = %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 5 valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 8)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 5/(s(s + 8))K = 5
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 27,5/(s² + 11s + 55), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 27,5/(s² + 11s + 55)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 20)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 2 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 2 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 3,774 %
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 = 60·220/(2π·0,75) = 2801 rpm
nFL = 60·(220 − 40·0,2)/(2π·0,75) = 2699 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (2801 − 2699)/2699·100 = 3,774 %
Atsakymas
SR = 3,774 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 679,8 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.
Lauko silpninimas yra būdas, kuriuo nuolatinės srovės pavara veikia didesniu nei bazinis greičiu.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 945,6 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
1440·200/300 = 960 rpm
Su slydimu
n2 = 960·0,985 = 945,6 rpm
Atsakymas
n2 = 945,6 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 18,93 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 = 2,636 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,9227 = 2,516, T₂ = 2000/2,516 = 794,9 N
Galia
P = (2000 − 794,9)·15,71 = 18,93 kW
Atsakymas
P = 18,93 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: N = 8
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
1000 mV/5 mV = 200
Bitai
log₂(200) = 7,644
27 = 128 < 200 ≤ 28 = 256
N = 8
Atsakymas
N = 8
6.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.
Išspręskite N atžvilgiu
N ≥ (70 − 1,76)/6,02 = 11,34
Apvalinkite aukštyn
N = 12
patikra: 6,02·12 + 1,76 = 74 dB ≥ 70 dB
Atsakymas
N = 12
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 18 Ω
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.
Mazgo įtampa
Va = 1,5 + 0,08491 = 1,585 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 150·1,585/(3 − 1,585) = 168 Ω
ΔR = 168 − 150 = 18 Ω
Atsakymas
ΔR = 18 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 1,5 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
1,5·5 = 7,5 mV
Išėjimas esant šiai apkrovai
Vo = 7,5·10/50 = 1,5 mV
Atsakymas
Vo = 1,5 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,961 %
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 = 10·5 = 50
Šuolio paklaida
ess = 100/(1 + 50) = 1,961 %
Atsakymas
ess = 1,961 %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 1,047 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 + 8) + 5·5 = s² + 8s + 25
ωₙ ir ζ
ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 8/(2·5) = 0,8
Maksimumo laikas
ωd = 5·√(1 − 0,8²) = 3 rad/s
tp = π/3 = 1,047 s
Atsakymas
tp = 1,047 s
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −5,5
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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,416) = 0,7416
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −11/2 = −5,5
Atsakymas
σ = −5,5
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 164,5
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).