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 V·s/rad, maitinamas 110 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 110 Vk = 1 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 0,75 V·s/rad, o Ra = 0,8 Ω, turi sukti 9 N·m apkrovą 500 aps./min greičiu. Raskite jam reikalingą inkaro įtampą V.
k = 0,75 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 9 N·mn = 500 rpm
V = V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 125 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 960 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 400 N, laisvosios – 160 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (48 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1500 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (60 dantų). Krumpliaratis C (15 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (24 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1500 rpmA = 48B = 60C = 15D = 24
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
8 bitų ADC, kurio įėjimo ruožas nuo 0 iki 3,3 V, nupjauna: jo išėjimo kodas yra ⌊Vin/LSB⌋, kai 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Raskite dešimtainį išėjimo kodą D, kai įėjimo įtampa yra 1,735 V.
N = 8VFSR = 3,3 VVin = 1,735 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Mikrovaldiklis su 20 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 57600 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 20 MHznorima = 57600 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
150 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 150 Ω, o žadinimas 5 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 5 VR = 150 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 200 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 3 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 3 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Raskite stiprinimą K, su kuriuo šuolio įėjimo nusistovėjusioji paklaida yra 25 %.
G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 25 %
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 5)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,8.
G(s) = 4/(s(s + 5))ζ = 0,8
K =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 5/(s² + s + 5), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s² + s + 5)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 220/(s(s + 10)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 220/(s(s + 10))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 1050 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 = 110/1 = 110 rad/s
n0 = 60·110/(2π) = 1050 rpm
Atsakymas
n0 = 1050 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: V = 48,87 V
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.
Priešelektrovara
E = 0,75·52,36 = 39,27 V
Inkaro srovė
Ia = 9/0,75 = 12 A
Inkaro įtampa
V = 39,27 + 12·0,8 = 48,87 V
Atsakymas
V = 48,87 V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 1,508 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.
Diržo greitis
v = 6,283 m/s
Galia
P = (400 − 160)·6,283 = 1508 W = 1,508 kW
Atsakymas
P = 1,508 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 750 rpm
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.
Pirmoji pakopa
nB = 1500·48/60 = 1200 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 1200·15/24 = 750 rpm
Atsakymas
nout = 750 rpm
bendras perdavimo skaičius = 2 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 134
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 = 3,3/28 = 12,89 mV
Kodas
Vin/LSB = 1735/12,89 = 134,6
kodas = ⌊134,6⌋ = 134
Atsakymas
D = 134
Dvejetainiu pavidalu tai yra 10000110.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: e = −1,357 %
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.
Daliklis
D = 20·10⁶/(16·57600) = 21,7 → 22
Tikroji baud sparta
20·10⁶/(16·22) = 56818 Bd
Paklaida
(56818 − 57600)/57600·100 = −1,357 %
Atsakymas
e = −1,357 %
Paklaida, mažesnė nei maždaug 2 %, paprastai priimtina.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 41,67 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 = 5/2 = 2,5 V
Galia
Pg = 2,5²/150 = 41,67 mW
Atsakymas
Pg = 41,67 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 240 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 = 4·0,003/(5·2) = 0,0012
Įtempis
σ = 200·10³ MPa·0,0012 = 240 MPa
Atsakymas
σ = 240 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 12
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) = 0,25 → Kp = 3
Stiprinimas
K/4 = 3 → K = 12
Atsakymas
K = 12
Patikrinkite ir uždarojo kontūro stabilumą: šiam antrosios eilės kontūrui stabilus bet koks K > 0.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 2,441
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 + 5) + 4K = s² + 5s + 4K
Savasis dažnis
2·0,8·ωₙ = 5 → ωₙ = 3,125 rad/s
Stiprinimas
4K = ωₙ² = 9,766 → K = 2,441
Atsakymas
K = 2,441
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 8 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 = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,236) = 0,2236
Rezultatas
ζωₙ = 0,5 → ts ≈ 4/0,5 = 8 s
Atsakymas
ts = 8 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 0,8 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).