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 = 0,8 V·s/rad, maitinamas 120 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 120 Vk = 0,8 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
120 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 1 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 50 A.
V = 120 VRa = 1 ΩImax = 50 A
Rst = Ω
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
150 mm skriemulys sukasi 1500 rpm ir diržu suka 200 mm skriemulį, slydimas 2 %. Raskite varomojo skriemulio sūkių dažnį n2.
n1 = 1500 rpmd1 = 150 mmd2 = 200 mms = 2 %
n2 = rpm
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Sudėtinėje krumpliaračių pavaroje krumpliaratis A (25 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1440 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (72 dantų). Krumpliaratis C (36 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D ant išėjimo veleno. Išėjimo velenas turi suktis 400 rpm greičiu. Kiek dantų ND turi turėti krumpliaratis D?
nin = 1440 rpmA = 25B = 72C = 36nout = 400 rpm
ND =
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
8 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 7,014 V.
N = 8VFSR = 10 VVin = 7,014 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 1 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 10 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 1 mV/°CG = 10N = 8VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 300 Ω, Vs = 3 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 24 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 3 VR = 300 ΩΔR = 24 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas su vienu aktyviu jutikliu (GF = 2) žadinamas 5 V. Veikiant apkrovai išėjimas rodo 1,5 mV. Raskite deformaciją ε µε.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,5 mV
ε = µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/((s + 1)(s + 5)). Raskite stiprinimą K, su kuriuo šuolio įėjimo nusistovėjusioji paklaida yra 5 %.
G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 5 %
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 16 valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 4/(s(s + 2))K = 16
ts = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 26/(s² + 3s + 26), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Poliai yra s = σ ± jωd. Raskite realiąją dalį σ.
G(s) = 26/(s² + 3s + 26)
σ =
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 2)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 20 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 20 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 1432 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 = 120/0,8 = 150 rad/s
n0 = 60·150/(2π) = 1432 rpm
Atsakymas
n0 = 1432 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rst = 1,4 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.
Visa varža
Ra + Rst = 120/50 = 2,4 Ω
Paleidimo rezistorius
Rst = 2,4 − 1 = 1,4 Ω
Atsakymas
Rst = 1,4 Ω
Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: n2 = 1103 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
1500·150/200 = 1125 rpm
Su slydimu
n2 = 1125·0,98 = 1103 rpm
Atsakymas
n2 = 1103 rpm
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 = 1440·25/72 = 500 rpm
Krumpliaračio D dantys
ND = C·nC/nout = 36·500/400 = 45
Atsakymas
ND = 45
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 179
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 = 10/28 = 39,06 mV
Kodas
Vin/LSB = 7014/39,06 = 179,6
kodas = ⌊179,6⌋ = 179
Atsakymas
D = 179
Dvejetainiu pavidalu tai yra 10110011.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,9766 °C
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 = 2500/256 = 9,766 mV
Jautris ties ADC
1·10 = 10 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 9,766/10 = 0,9766 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,9766 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 250 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 57,69 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.
Mazgų įtampos
Va = 3·324/624 = 1,558 V
Vb = 1,5 V
Išskirta
Vab = 57,69 mV
Atsakymas
Vab = 57,69 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 60 mV yra 4 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 600 µε
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.
Išspręskite ketvirtinio tilto lygtį
ε = 4·0,0015/(5·2) = 0,0006
Mikrodeformacijomis
ε = 600 µε
Atsakymas
ε = 600 µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 95
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.
Reikiama paklaidos konstanta
1/(1 + Kp) = 0,05 → Kp = 19
Stiprinimas
K/5 = 19 → K = 95
Atsakymas
K = 95
Patikrinkite ir uždarojo kontūro stabilumą: šiam antrosios eilės kontūrui stabilus bet koks K > 0.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ts = 4 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 + 2) + 16·4 = s² + 2s + 64
ωₙ ir ζ
ωₙ = √64 = 8 rad/s
ζ = 2/(2·8) = 0,125
Nusistovėjimo laikas
ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s
Atsakymas
ts = 4 s
Nusistovėjimo trukmė čia nuo K nepriklauso: didinant K atsakas tik greičiau svyruoja.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: σ = −1,5
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 = 26 → ωₙ = 5,099 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,099) = 0,2942
Rezultatas
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Atsakymas
σ = −1,5
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: K = 4,81
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).