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, kurio k = 1,2 V·s/rad, maitinamas 240 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 240 Vk = 1,2 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω), prijungtas prie pastovios 120 V įtampos, suka 15 N·m apkrovą. Raskite nuosekliąją varžą Rs, kuri jį sulėtina iki 900 aps./min.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
150 mm skriemulys sukasi 720 rpm ir diržu suka 300 mm skriemulį, slydimas 1,5 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 720 rpmd1 = 150 mmd2 = 300 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Planetinėje pavaroje saulės krumpliaratis turi 15 dantų, o kiekvienas satelitas – 18 dantų. Vainikinis krumpliaratis nejudamas, o saulės krumpliaratis sukamas 1440 rpm greičiu. Raskite vedžiklio sukimosi greitį nc.
Ns = 15Np = 18ns = 1440 rpm
nc = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
10 bitų ADC, kurio įėjimo ruožas nuo 0 iki 5 V, nupjauna: jo išėjimo kodas yra ⌊Vin/LSB⌋, kai 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Raskite dešimtainį išėjimo kodą D, kai įėjimo įtampa yra 1,584 V.
N = 10VFSR = 5 VVin = 1,584 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
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 150 Ω, maitinimas 9 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 254,7 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 9 VR = 150 ΩVab = 254,7 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 1000 Ω, žadinamas 5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2, o deformacija 1200 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 5 VGF = 2ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 5)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 1·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s valdo objektą G(s) = 2/(s + 4) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Uždarasis kontūras turi turėti ωₙ = 6 rad/s ir ζ = 0,6. Raskite proporcinį stiprinimą Kp.
G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 14/(s² + 5s + 14), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 14/(s² + 5s + 14)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 27 Ω, L = 50 mH ir C = 100 µF, prijungiama prie 5 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite didžiausią kondensatoriaus įtampą vC,max.
R = 27 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 5 V
vC,max = V
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 1910 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.
Tuščiosios eigos greitis
ω₀ = V/k = 240/1,2 = 200 rad/s
n0 = 60·200/(2π) = 1910 rpm
Atsakymas
n0 = 1910 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rs = 2,338 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 = 15/0,6 = 25 A
E = 0,6·94,25 = 56,55 V
Nuoseklioji varža
Ra + Rs = (120 − 56,55)/25 = 2,538 Ω
Rs = 2,338 Ω
Atsakymas
Rs = 2,338 Ω
Rezistorius išsklaido 1461 W; pertraukiklis greitį valdo su gerokai mažesniais nuostoliais.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 354,6 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
720·150/300 = 360 rpm
Su slydimu
n2 = 360·0,985 = 354,6 rpm
Atsakymas
n2 = 354,6 rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nc = 327,3 rpm
Planetinės pavaros: saulės krumpliaračio, vainiko ir vedžiklio greičius sieja Viliso lygtis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: žiūrint iš vedžiklio, tai paprasta krumpliaračių pavara, kurioje satelitai yra tarpiniai krumpliaračiai. Užfiksavus vieną narį, pavara tampa reduktoriumi su vienu perdavimo skaičiumi.
Vainikinio krumpliaračio dantys
Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·18 = 51
Viliso lygtis, kai vainikas nejudamas
Imkite nr = 0 ir raskite vedžiklio greitį.
(1440 − nc)/(0 − nc) = −51/15
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1440·15/66 = 327,3 rpm
Atsakymas
nc = 327,3 rpm
Vedžiklis sukasi ta pačia kryptimi kaip saulės krumpliaratis.
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 324
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 = 5/210 = 4,883 mV
Kodas
Vin/LSB = 1584/4,883 = 324,4
kodas = ⌊324,4⌋ = 324
Atsakymas
D = 324
Dvejetainiu pavidalu tai yra 0101000100.
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: 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 = 4,5 + 0,2547 = 4,755 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 150·4,755/(9 − 4,755) = 168 Ω
ΔR = 168 − 150 = 18 Ω
Atsakymas
ΔR = 18 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 12 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 = 2·1200·10⁻⁶ = 0,0024
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0024 = 12 mV
Atsakymas
Vo = 12 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,625
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.
Pagreičio konstanta
Ka = 4·2/5 = 1,6
Parabolės paklaida
ess = 1/1,6 = 0,625
Atsakymas
ess = 0,625
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: Kp = 1,6
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 + 2Kp)s + 2Ki
Tikslinis daugianaris
s² + 2·0,6·6s + 6² = s² + 7,2s + 36
Sulyginkite koeficientus
4 + 2Kp = 7,2 → Kp = 1,6
Atsakymas
Kp = 1,6
Integralinis narys kontūrą padaro 1 tipo, todėl šuolis seka be nusistovėjusiosios paklaidos.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1,6 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 = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,742) = 0,6682
Rezultatas
ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s
Atsakymas
ts = 1,6 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: vC,max = 5,463 V
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).