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 = 0,1 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) maitinamas 24 V ir sukasi apkrovos momentu 0,5 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 24 Vk = 0,1 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 0,5 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės pertraukiklis maitina variklį (k = 0,12 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) iš 240 V nuolatinės įtampos šynos. Vidutinė inkaro įtampa yra D·240 V. Raskite pildymo koeficientą D, su kuriuo variklis sukasi 800 aps./min, kai apkrova yra 0,48 N·m.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
4 kW variklis, besisukantis 2900 rpm greičiu, suka krumpliaratuką su 30 dantų, kurio modulis 2,5 mm. Raskite tangentinę jėgą Ft, veikiančią krumpliaratuko dantis.
P = 4 kWn = 2900 rpmN1 = 30m = 2,5 mm
Ft = N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (15 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1500 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (16 dantų). Krumpliaratis C (15 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (40 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1500 rpmA = 15B = 16C = 15D = 40
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
8 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 1,083 V.
N = 8VFSR = 5 VVin = 1,083 V
D =
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 1 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 1 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 10 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 1 mV/°CG = 1N = 8VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
330 Ω tenzojutiklis yra viena tilto svirtis (R₂), kurio keturių vienodų svirčių varža yra 330 Ω, o žadinimas 3 V. Raskite jutiklyje išsklaidomą galią Pg mW. Savaiminis kaitimas riboja žadinimą.
Vs = 3 VR = 330 Ω
Pg = mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 120 Ω, žadinamas 5 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2, o deformacija 250 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 5 VGF = 2ε = 250 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūras, kurio G(s) = K/(s(s + 4)), turi sekti rampą r(t) = 5t su 0,02 nusistovėjusiąja paklaida. Raskite stiprinimą K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 5tess = 0,02
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 20 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 2/(s(s + 10))K = 20
%OS = %
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 22/(s² + 5s + 22), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 22/(s² + 5s + 22)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 89 Ω, L = 500 mH ir C = 10 µF, prijungiama prie 12 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite neslopinamą savąjį dažnį ωn rad/s.
R = 89 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 2053 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 = 0,5/0,1 = 5 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 24 − 5·0,5 = 21,5 V
ω = E/k = 215 rad/s → n = 2053 rpm
Atsakymas
n = 2053 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: D = 6,189 %
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.
Reikiama inkaro įtampa
Va = 0,12·83,78 + 4·1,2 = 14,85 V
Pildymo koeficientas
D = 14,85/240 = 6,189 %
Atsakymas
D = 6,189 %
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Ft = 351,2 N
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Krumpliaratuko sukimo momentas
ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 4000/303,7 = 13,17 N·m
Dalijamasis skersmuo
d = m·N = 2,5·30 = 75 mm
Tangentinė jėga
Ft = 2T/d = 2·13,17/0,075 = 351,2 N
Atsakymas
Ft = 351,2 N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 527,3 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 = 1500·15/16 = 1406 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 1406·15/40 = 527,3 rpm
Atsakymas
nout = 527,3 rpm
bendras perdavimo skaičius = 2,844 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: D = 55
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 = 5/28 = 19,53 mV
Kodas
Vin/LSB = 1083/19,53 = 55,45
kodas = ⌊55,45⌋ = 55
Atsakymas
D = 55
Dvejetainiu pavidalu tai yra 00110111.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 39,06 °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 = 10000/256 = 39,06 mV
Jautris ties ADC
1·1 = 1 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 39,06/1 = 39,06 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 39,06 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 10000 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Pg = 6,818 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 = 3/2 = 1,5 V
Galia
Pg = 1,5²/330 = 6,818 mW
Atsakymas
Pg = 6,818 mW
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 2,5 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.
Santykinis varžos pokytis
ΔR/R = 2·250·10⁻⁶ = 0,0005
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0005 = 2,5 mV
Atsakymas
Vo = 2,5 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 1000
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 greičio konstanta
Kv = A/ess = 5/0,02 = 250
Stiprinimas
K = 4·Kv = 1000
Atsakymas
K = 1000
Didelis stiprinimas šį kontūrą padaro labai silpnai slopinamą: ζ = 0,06325. Dėl šios prieštaros naudojami kompensatoriai.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: %OS = 1,732 %
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 + 10) + 20·2 = s² + 10s + 40
ωₙ ir ζ
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906
Viršijimas
%OS = 100·e−0,7906π/√(1 − 0,7906²) = 1,732 %
Atsakymas
%OS = 1,732 %
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 13,82 %
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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,69) = 0,533
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,979 = 13,82 %
Atsakymas
%OS = 13,82 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 447,2 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).