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 = 0,5 V·s/rad, maitinamas 110 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 110 Vk = 0,5 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 1,2 V·s/rad, o Ra = 1 Ω, turi sukti 7,2 N·m apkrovą 500 aps./min greičiu. Raskite jam reikalingą inkaro įtampą V.
k = 1,2 V·s/radRa = 1 ΩT = 7,2 N·mn = 500 rpm
V = V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
11 kW variklis, besisukantis 960 rpm greičiu, suka krumpliaratuką su 24 dantų, kurio modulis 2,5 mm. Raskite tangentinę jėgą Ft, veikiančią krumpliaratuko dantis.
P = 11 kWn = 960 rpmN1 = 24m = 2,5 mm
Ft = N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Sudėtinėje krumpliaračių pavaroje krumpliaratis A (32 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1440 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (80 dantų). Krumpliaratis C (15 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D ant išėjimo veleno. Išėjimo velenas turi suktis 540 rpm greičiu. Kiek dantų ND turi turėti krumpliaratis D?
nin = 1440 rpmA = 32B = 80C = 15nout = 540 rpm
ND =
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
6,5 kHz sinusinė banga diskretizuojama 5 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Kokiu dažniu fa ji pasirodo atskaitose? Pateikite Hz.
f = 6,5 kHzfs = 5 kHz
fa = Hz
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
8 kanalų multiplekseris maitina vieną ADC. Kiekvienas keitimas trunka 2,5 µs, o po kiekvieno kanalo perjungimo įėjimui reikia 1 µs nusistovėti. Kanalai skenuojami paeiliui be pauzių. Raskite kiekvieno kanalo diskretizavimo dažnį fs kHz.
n = 8tc = 2,5 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 350 Ω, Vs = 9 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 70 Ω. Raskite tikslų išėjimą Vab mV.
Vs = 9 VR = 350 ΩΔR = 70 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Tenzojutiklis (GF = 2,12) ant elemento, kurio E = 210 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 5 V. Išėjimas rodo 1,59 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 1,59 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 1)), paduodamas parabolinis signalas r(t) = 10·t²/2. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 1))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 6)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro slopinimo koeficientas yra ζ = 0,8.
G(s) = 2/(s(s + 6))ζ = 0,8
K =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 92/(s² + 9s + 92), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 92/(s² + 9s + 92)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 20)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 20 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 20 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 2101 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 = 110/0,5 = 220 rad/s
n0 = 60·220/(2π) = 2101 rpm
Atsakymas
n0 = 2101 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: V = 68,83 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 = 1,2·52,36 = 62,83 V
Inkaro srovė
Ia = 7,2/1,2 = 6 A
Inkaro įtampa
V = 62,83 + 6·1 = 68,83 V
Atsakymas
V = 68,83 V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: Ft = 3647 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·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 11000/100,5 = 109,4 N·m
Dalijamasis skersmuo
d = m·N = 2,5·24 = 60 mm
Tangentinė jėga
Ft = 2T/d = 2·109,4/0,06 = 3647 N
Atsakymas
Ft = 3647 N
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: ND = 16
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 = 1440·32/80 = 576 rpm
Krumpliaračio D dantys
ND = C·nC/nout = 15·576/540 = 16
Atsakymas
ND = 16
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 1500 Hz
Diskretizavimas: ADC signalą matuoja fs kartų per sekundę. Pagal Naikvisto ir Šenono teoremą dažnis f užfiksuojamas teisingai tik kol f < fs/2, Naikvisto (atspindžio) dažnis, todėl diskretizavimo dažnis turi viršyti dvigubą aukščiausią signalo dažnį. Aukštesnis dažnis neprarandamas: jis pasirodo kaip persiklojimo dažnis fa = |f − k·fs|, kai sveikasis k rezultatą perkelia į ruožą nuo 0 iki fs/2. Atskaitos jų atskirti negali, todėl analoginis antipersiklojimo filtras prieš ADC turi pašalinti viską, kas didesnė už fs/2.
Naikvisto dažnis
fs/2 = 2,5 kHz < f = 6,5 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
k = round(6500/5000) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |6500 − 1·5000| = 1500 Hz
Atsakymas
fa = 1500 Hz
Brūkšninė kreivė paveiksle yra persiklojimo dažnis: ji eina per lygiai tas pačias atskaitas.
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fs = 35,71 kHz
Duomenų spartos: kiekvienas kanalas per sekundę pateikia fs atskaitų po N bitų, todėl žalioji sparta yra kanalai × fs × N bit/s. Atmintyje atskaita užima sveikus baitus (12 bitų atskaita saugoma 2 baituose), todėl įrašo atmintis yra kanalai × fs × baitai vienai atskaitai × laikas. Multipleksuojamas ADC kanalus keičia vieną po kito: kiekvienas keitimas (su nusistovėjimu) trunka t, todėl n kanalų ratas trunka n·t, o kiekvienas kanalas diskretizuojamas 1/(n·t) dažniu.
Laikas vienam kanalui
2,5 + 1 = 3,5 µs
Skenavimo laikas
8·3,5 = 28 µs
Vieno kanalo diskretizavimo dažnis
fs = 1/28 µs = 35,71 kHz
Atsakymas
fs = 35,71 kHz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 409,1 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 = 9·420/770 = 4,909 V
Vb = 4,5 V
Išskirta
Vab = 409,1 mV
Atsakymas
Vab = 409,1 mV
Tiesinis įvertis Vs·ΔR/(4R) = 450 mV yra 10 % per didelis: ketvirtinis tiltas nėra visiškai tiesinis.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 126 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 = 4·0,00159/(5·2,12) = 0,0006
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,0006 = 126 MPa
Atsakymas
σ = 126 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,25
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 = 4·2/1 = 8
Parabolės paklaida
ess = 10/8 = 1,25
Atsakymas
ess = 1,25
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 7,031
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 + 6) + 2K = s² + 6s + 2K
Savasis dažnis
2·0,8·ωₙ = 6 → ωₙ = 3,75 rad/s
Stiprinimas
2K = ωₙ² = 14,06 → K = 7,031
Atsakymas
K = 7,031
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,3709 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).
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).