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 = 0,15 N·m/A, Ra = 0,2 Ω) maitinamas 48 V ir sukasi apkrovos momentu 2,25 N·m. Raskite jo greitį n aps./min.
V = 48 Vk = 0,15 N·m/ARa = 0,2 ΩT = 2,25 N·m
n = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis, maitinamas 220 V (Ra = 0,4 Ω), sukasi 1000 aps./min, kai inkaro srovė yra 40 A. Apkrova pasikeičia ir srovė tampa 60 A, o magnetinis laukas nekinta. Raskite naująjį greitį n2.
V = 220 VRa = 0,4 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 40 AIa2 = 60 A
n2 = rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
7,5 kW variklis, besisukantis 1500 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 12; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 18. Krumpliaračių poros naudingumo koeficientas – 96 %. Raskite sukimo momentą T1 variklio velene.
P = 7,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 18η = 96%
T1 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (15 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 3000 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (36 dantų). Krumpliaratis C (24 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (25 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 3000 rpmA = 15B = 36C = 24D = 25
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
UART siunčia baitus 9600 baud sparta formatu 8E2: 8 duomenų bitai, lyginio lyginumo bitas ir 2 stabdos bitas (-ai), plius starto bitas. Raskite didžiausią duomenų baitų skaičių per sekundę, kurį jis gali perduoti.
baud = 9600 Bd8E2
RB = B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Mikrovaldiklis su 1 MHz taktu nustato UART baud spartą kaip fclk/(16·D), kai D yra sveikasis skaičius, suapvalintas iki artimiausios vertės. Norima sparta yra 4800 baud. Raskite tikrosios baud spartos procentinę paklaidą (teigiama, kai per greita).
fclk = 1 MHznorima = 4800 Bd
e = %
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tarp pavaizduoto tilto taškų a ir b (Vs = 10 V) prijungtas 20 Ω varžos galvanometras. Raskite galvanometro srovę Ig iš a į b µA.
Tenzojutiklis (GF = 2) ant elemento, kurio E = 210 GPa, sudaro ketvirtinį tiltą, žadinamą 2,5 V. Išėjimas rodo 0,938 mV. Raskite ašinį įtempį σ MPa.
Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 0,938 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 1)(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 10 + 3t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 10 + 3t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 40 valdo objektą G(s) = 1/(s(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 1/(s(s + 4))K = 40
%OS = %
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 51/(s² + 10s + 51), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 51/(s² + 10s + 51)
%OS = %
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Nuosekli RLC grandinė, kurios R = 3 Ω, L = 10 mH ir C = 47 µF, prijungiama prie 10 V šuolio, kai t = 0. Kondensatorius neįkrautas, prieš šuolį srovė neteka. Raskite neslopinamą savąjį dažnį ωn rad/s.
R = 3 ΩL = 10 mHC = 47 µFV = 10 V
ωn = rad/s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 2865 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 = 2,25/0,15 = 15 A
Priešelektrovara ir greitis
E = 48 − 15·0,2 = 45 V
ω = E/k = 300 rad/s → n = 2865 rpm
Atsakymas
n = 2865 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n2 = 960,8 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.
Priešelektrovara prieš ir po
E1 = 220 − 40·0,4 = 204 V
E2 = 220 − 60·0,4 = 196 V
Naujasis greitis
n2 = 1000·196/204 = 960,8 rpm
Atsakymas
n2 = 960,8 rpm
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: T1 = 47,75 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157,1 = 47,75 N·m
Atsakymas
T1 = 47,75 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 1200 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 = 3000·15/36 = 1250 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 1250·24/25 = 1200 rpm
Atsakymas
nout = 1200 rpm
bendras perdavimo skaičius = 2,5 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: RB = 800 B/s
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 kadre
1 + 8 + 1 + 2 = 12
Baitų sparta
9600/12 = 800 B/s
Atsakymas
RB = 800 B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: e = 0,1603 %
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 = 1·10⁶/(16·4800) = 13,02 → 13
Tikroji baud sparta
1·10⁶/(16·13) = 4808 Bd
Paklaida
(4808 − 4800)/4800·100 = 0,1603 %
Atsakymas
e = 0,1603 %
Paklaida, mažesnė nei maždaug 2 %, paprastai priimtina.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Ig = −4327 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 = 10·(50/170 − 250/650) = −0,905 V
Tevenino varža
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 189,1 Ω
Galvanometro srovė
Ig = −0,905/(189,1 + 20) = −4327 µA
Atsakymas
Ig = −4327 µA
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: σ = 157,6 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 = 4·0,000938/(2,5·2) = 0,0007504
Įtempis
σ = 210·10³ MPa·0,0007504 = 157,6 MPa
Atsakymas
σ = 157,6 MPa
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 1,5
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) = 2
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 3/2 = 1,5
Atsakymas
ess = 1,5
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: %OS = 35,09 %
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 + 4) + 40·1 = s² + 4s + 40
ωₙ ir ζ
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 4/(2·6,325) = 0,3162
Viršijimas
%OS = 100·e−0,3162π/√(1 − 0,3162²) = 35,09 %
Atsakymas
%OS = 35,09 %
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: %OS = 4,593 %
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 = 51 → ωₙ = 7,141 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,141) = 0,7001
Rezultatas
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,081 = 4,593 %
Atsakymas
%OS = 4,593 %
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ωn = 1459 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).