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 = 0,08 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) maitinamas 24 V. Pilna apkrova jis vartoja 6 A. Neįskaitydami tuščiosios eigos srovės, raskite jo greičio reguliavimą SR = (n₀ − nFL)/nFL procentais.
V = 24 Vk = 0,08 V·s/radRa = 0,4 ΩIFL = 6 A
SR = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 0,8 V·s/rad esant pilnam laukui, Ra = 1,5 Ω, V = 220 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 4,8 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 85 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
0,75 kW variklis, besisukantis 1450 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 18; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 25. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 96 %. Raskite sukimo momentą T1 variklio velene.
P = 0,75 kWn1 = 1450 rpmN1 = 18N2 = 25η = 96%
T1 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 80 mm varantįjį skriemulį, sukamą 720 rpm, su 250 mm skriemuliu; ašys nutolusios 600 mm. Trinties koeficientas yra 0,25, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 800 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
Registratorius diskretizuoja 2 kanalus po 10 kHz 24 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 60 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 2fs = 10 kHzN = 24t = 60 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
24 bitų ADC kiekvieną atskaitą siunčia per UART 460800 baud sparta, formatu 8E1 (starto bitas, 8 duomenų bitai, lyginumo bitas, 1 stabdos bitas). Kiekviena atskaita siunčiama 3 sveikais baitais, o ryšys visą laiką užimtas. Raskite aukščiausią signalo dažnį fmax, kurį galima diskretizuoti be persiklojimo, Hz.
baud = 460800 BdN = 248E1
fmax = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Raskite pavaizduoto tilto Tevenino varžą Rth, žiūrint nuo išėjimo gnybtų a ir b.
Vs = 6 VR1 = 50 ΩR2 = 200 ΩR3 = 40 ΩR4 = 20 Ω
Rth = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Apkrovos jutiklio (pilno tenzojutiklių tilto) nominalus išėjimas yra 1,5 mV/V, kai nominali apkrova 50 kg. Jis žadinamas 12 V. Raskite jo išėjimą Vo, kai apkrova yra 37,5 kg.
1,5 mV/VFrated = 50 kgVs = 12 VF = 37,5 kg
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 10/(s(s + 4)(s + 5)), paduodama rampa r(t) = 5t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 10/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 8 valdo objektą G(s) = 2/(s(s + 6)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 2/(s(s + 6))K = 8
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 70/(s² + 6s + 70), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 70/(s² + 6s + 70)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Antrosios eilės sistemos be nulių šuolinė reakcija rodo 10 % viršijimą, o pirmas pikas atsiranda ties t = 0,2 s. Raskite savąjį dažnį ωn.
%OS = 10 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: SR = 11,11 %
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 ir pilnos apkrovos greitis
n₀ = 60·24/(2π·0,08) = 2865 rpm
nFL = 60·(24 − 6·0,4)/(2π·0,08) = 2578 rpm
Greičio reguliavimas
SR = (2865 − 2578)/2578·100 = 11,11 %
Atsakymas
SR = 11,11 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 2941 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.
Lauko silpninimas yra būdas, kuriuo nuolatinės srovės pavara veikia didesniu nei bazinis greičiu.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T1 = 4,939 N·m
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.
Variklio sukimo momentas
ω₁ = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/151,8 = 4,939 N·m
Atsakymas
T1 = 4,939 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 1,232 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.
Apkabos kampas
θ = 2,857 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,7143 = 2,043, T₂ = 800/2,043 = 391,6 N
Galia
P = (800 − 391,6)·3,016 = 1,232 kW
Atsakymas
P = 1,232 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 216 MB
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.
Baitai vienai atskaitai
⌈24/8⌉ = 3 B
Baitų sparta
2·10000·3 = 60000 B/s
Atmintis
M = 60000·3600 = 2,16 × 10⁸ B = 216 MB
Atsakymas
M = 216 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fmax = 6982 Hz
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.
Bitai linijoje vienai atskaitai
3·11 = 33 bit
Aukščiausias diskretizavimo dažnis
fs,max = 460800/33 = 13964 Hz
Naikvisto riba
fmax = 13964/2 = 6982 Hz
Atsakymas
fmax = 6982 Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Rth = 53,33 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.
Šaltinis užtrumpintas
R₁∥R₂ = 50·200/250 = 40 Ω
R₃∥R₄ = 40·20/60 = 13,33 Ω
Tevenino varža
Rth = 53,33 Ω
Atsakymas
Rth = 53,33 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 13,5 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.
Pilnos skalės išėjimas
1,5·12 = 18 mV
Išėjimas esant šiai apkrovai
Vo = 18·37,5/50 = 13,5 mV
Atsakymas
Vo = 13,5 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 10
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.
Greičio konstanta
Kv = lim s·G(s) = 0,5
Rampos paklaida
ess = 5/0,5 = 10
Atsakymas
ess = 10
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 1,187 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 + 6) + 8·2 = s² + 6s + 16
ωₙ ir ζ
ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 6/(2·4) = 0,75
Maksimumo laikas
ωd = 4·√(1 − 0,75²) = 2,646 rad/s
tp = π/2,646 = 1,187 s
Atsakymas
tp = 1,187 s
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,4022 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).