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 duoda 5,5 kW mechaninės galios, sukdamasis 3000 aps./min. Raskite veleno momentą T.
P = 5,5 kWn = 3000 rpm
T = N·m
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 1,5 V·s/rad, o Ra = 0,25 Ω, turi sukti 60 N·m apkrovą 750 aps./min greičiu. Raskite jam reikalingą inkaro įtampą V.
k = 1,5 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 60 N·mn = 750 rpm
V = V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 120 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 720 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 600 N, laisvosios – 120 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 120 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 120 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (16 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 1450 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (80 dantų). Krumpliaratis C (45 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (48 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 1450 rpmA = 16B = 80C = 45D = 48
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
Registratorius diskretizuoja 2 kanalus po 20 kHz 16 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 60 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 2fs = 20 kHzN = 16t = 60 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
2,8 kHz stačiakampė banga diskretizuojama 8 kHz dažniu be antipersiklojimo filtro. Stačiakampėje bangoje yra nelyginės harmonikos 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Kokiu dažniu fa jos harmonika 3f₁ pasirodo diskretizuotuose duomenyse? Pateikite Hz.
f₁ = 2,8 kHzfs = 8 kHzharmonika: 3f₁
fa = Hz
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 2 V) prijungtas 20 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tiltas (keturi aktyvūs jutikliai, du tempiami ir du gniuždomi (pilnas tiltas)), kurio svirčių varža 1000 Ω, žadinamas 10 V. Tenzojautrumo koeficientas yra 2,12, o deformacija 1500 µε. Raskite tilto išėjimą Vo mV.
Vs = 10 VGF = 2,12ε = 1500 µε
Vo = mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Raskite stiprinimą K, su kuriuo šuolio įėjimo nusistovėjusioji paklaida yra 10 %.
G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 10 %
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = 2 + 2/s valdo objektą G(s) = 4/((s + 1)(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess, kai įėjimas yra rampa r(t) = 5t.
C(s) = 2 + 2/sG(s) = 4/((s + 1)(s + 2))r(t) = 5t
ess =
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 9/(s² + 5s + 18), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 9/(s² + 5s + 18)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
1 kg masė kabo ant 1000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 19 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 100 N. Raskite laiką tp, kai poslinkis didžiausias.
m = 1 kgk = 1000 N/mc = 19 N·s/mF = 100 N
tp = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: T = 17,51 N·m
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.
Greitis rad/s
ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
Sukimo momentas
T = P/ω = 5500/314,2 = 17,51 N·m
Atsakymas
T = 17,51 N·m
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: V = 127,8 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 = 1,5·78,54 = 117,8 V
Inkaro srovė
Ia = 60/1,5 = 40 A
Inkaro įtampa
V = 117,8 + 40·0,25 = 127,8 V
Atsakymas
V = 127,8 V
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 2,171 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 = 4,524 m/s
Galia
P = (600 − 120)·4,524 = 2171 W = 2,171 kW
Atsakymas
P = 2,171 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 271,9 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 = 1450·16/80 = 290 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 290·45/48 = 271,9 rpm
Atsakymas
nout = 271,9 rpm
bendras perdavimo skaičius = 5,333 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 288 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
⌈16/8⌉ = 2 B
Baitų sparta
2·20000·2 = 80000 B/s
Atmintis
M = 80000·3600 = 2,88 × 10⁸ B = 288 MB
Atsakymas
M = 288 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: fa = 400 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.
Harmonikos dažnis
3f₁ = 3·2,8 kHz = 8,4 kHz
Artimiausias diskretizavimo dažnio kartotinis
m = round(1,05) = 1
Persiklojimo dažnis
fa = |8400 − 1·8000| = 400 Hz
Atsakymas
fa = 400 Hz
Persiklojimo dažnis patenka į signalo juostą, kur jokio skaitmeninio filtro jo pašalinti negali. Padeda tik analoginis filtras prieš ADC.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = −9496 µA
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.
Tevenino įtampa
Vth = 2·(40/440 − 600/720) = −1,485 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 136,4 Ω
Galvanometro srovė
Ig = −1,485/(136,4 + 20) = −9496 µA
Atsakymas
Ig = −9496 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vo = 31,8 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 = 2,12·1500·10⁻⁶ = 0,00318
Tilto išėjimas
Vo = Vs·GF·ε = 10·0,00318 = 31,8 mV
Atsakymas
Vo = 31,8 mV
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 18
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) = 0,1 → Kp = 9
Stiprinimas
K/2 = 9 → K = 18
Atsakymas
K = 18
Patikrinkite ir uždarojo kontūro stabilumą: šiam antrosios eilės kontūrui stabilus bet koks K > 0.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,25
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).
Greičio konstanta
s·C(s) = 2s + 2 → 2, kai s → 0.
Kv = 2·4/2 = 4
Rampos paklaida
ess = 5/4 = 1,25
Atsakymas
ess = 1,25
PI reguliatorius visiškai panaikina šuolio paklaidą; rampa seka su pastoviu atsilikimu.
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,9165 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).