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 = 0,6 V·s/rad, maitinamas 220 V. Neįskaitydami visų nuostolių tuščiąja eiga, raskite jo tuščiosios eigos greitį n0 aps./min.
V = 220 Vk = 0,6 V·s/rad
n0 = rpm
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
120 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 1,2 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 10 A.
V = 120 VRa = 1,2 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
Diržas juda ant 125 mm varančiojo skriemulio, kuris sukasi 1500 rpm. Įtemptosios šakos įtempimas yra 400 N, laisvosios – 80 N. Raskite perduodamą galią P kW.
d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Atviras diržas jungia 160 mm varantįjį skriemulį, sukamą 960 rpm, su 315 mm skriemuliu; ašys nutolusios 1000 mm. Trinties koeficientas yra 0,3, o įtemptosios šakos įtempimas neturi viršyti 1500 N. Raskite didžiausią galią P, kurią diržas gali perduoti neslysdamas, kW (išcentrinių jėgų neįskaitykite).
Registratorius diskretizuoja 4 kanalus po 25 kHz 24 bitų ADC. Kiekviena atskaita saugoma sveikais baitais. Raskite atminties dydį M, reikalingą 15 min įrašui, MB (1 MB = 10⁶ baitų).
n = 4fs = 25 kHzN = 24t = 15 min
M = MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 5 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 2 karto ir paduodamas į 8 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 5 mV/°CG = 2N = 8VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto, kurio keturių svirčių varža yra 400 Ω, maitinimas 15 V. Pasikeitus jutiklio R₂ varžai, išėjimas rodo Vab = 288,5 mV. Raskite tikslų R₂ pokytį ΔR.
Vs = 15 VR = 400 ΩVab = 288,5 mV
ΔR = Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
Ketvirtinis tiltas (vienas aktyvus jutiklis, GF = 2,1) žadinamas 5 V. Didžiausia matuojama deformacija yra 1000 µε, ir ji analoginio-skaitmeninio keitiklio įėjime turi duoti 3,3 V. Raskite stiprintuvo stiprinimą G.
Vs = 5 VGF = 2,1εmax = 1000 µεVFS = 3,3 V
G =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Procesas G(s) = 4/(10s + 1) valdomas proporciniu stiprinimu K = 9 vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolio nusistovėjusiąją paklaidą ess kaip šuolio dydžio procentą.
G(s) = 4/(10s + 1)K = 9
ess = %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 5 valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 2)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 5/(s(s + 2))K = 5
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 63/(s² + 5s + 63), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 63/(s² + 5s + 63)
tp = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 12)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 5 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 5 %
K =
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n0 = 3501 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 = 220/0,6 = 366,7 rad/s
n0 = 60·366,7/(2π) = 3501 rpm
Atsakymas
n0 = 3501 rpm
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: Rst = 10,8 Ω
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.
Visa varža
Ra + Rst = 120/10 = 12 Ω
Paleidimo rezistorius
Rst = 12 − 1,2 = 10,8 Ω
Atsakymas
Rst = 10,8 Ω
Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 3,142 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 = 9,817 m/s
Galia
P = (400 − 80)·9,817 = 3142 W = 3,142 kW
Atsakymas
P = 3,142 kW
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: P = 7,139 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 = 2,986 rad
Laisvosios šakos įtempimas
eμθ = e0,8959 = 2,45, T₂ = 1500/2,45 = 612,3 N
Galia
P = (1500 − 612,3)·8,042 = 7,139 kW
Atsakymas
P = 7,139 kW
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: M = 270 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
4·25000·3 = 300000 B/s
Atmintis
M = 300000·900 = 2,7 × 10⁸ B = 270 MB
Atsakymas
M = 270 MB
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 1,953 °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 = 5000/256 = 19,53 mV
Jautris ties ADC
5·2 = 10 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 19,53/10 = 1,953 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 1,953 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 500 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ΔR = 32 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.
Mazgo įtampa
Va = 7,5 + 0,2885 = 7,788 V
Išspręskite daliklį
R₂ = 400·7,788/(15 − 7,788) = 432 Ω
ΔR = 432 − 400 = 32 Ω
Atsakymas
ΔR = 32 Ω
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: G = 1257
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.
Tilto išėjimas esant pilnai skalei
Vo = 2,625 mV
Stiprinimas
G = 3,3/0,002625 = 1257
Atsakymas
G = 1257
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 2,703 %
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.
Padėties konstanta
Kp = 9·4 = 36
Šuolio paklaida
ess = 100/(1 + 36) = 2,703 %
Atsakymas
ess = 2,703 %
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 0,6413 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 + 2) + 5·5 = s² + 2s + 25
ωₙ ir ζ
ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 2/(2·5) = 0,2
Maksimumo laikas
ωd = 5·√(1 − 0,2²) = 4,899 rad/s
tp = π/4,899 = 0,6413 s
Atsakymas
tp = 0,6413 s
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,417 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).