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 iš 240 V maitinimo vartoja 12 A. Jo inkaro varža yra 1,5 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 133 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.
V = 240 VIa = 12 ARa = 1,5 ΩProt = 133 W
η = %
2.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 0,08 V·s/rad esant pilnam laukui, Ra = 0,5 Ω, V = 24 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 0,4 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 85 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.
3.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosVidutinis
0,75 kW variklis, besisukantis 1440 rpm greičiu, suka krumpliaratį, kurio dantų skaičius 24; šis sukimba su krumpliaračiu, kurio dantų skaičius 50. Nuostolių nepaisykite. Raskite išėjimo sukimo momentą T2 varomojo krumpliaračio velene.
P = 0,75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 50η = 100%
T2 = N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavarosSunkus
Daugiapakopėje krumpliaratinėje pavaroje krumpliaratis A (24 dantų) ant įėjimo veleno sukasi 960 rpm greičiu ir suka krumpliaratį B (30 dantų). Krumpliaratis C (15 dantų) pritvirtintas prie to paties veleno kaip B ir suka krumpliaratį D (45 dantų) ant išėjimo veleno. Raskite išėjimo sukimosi greitį nout.
nin = 960 rpmA = 24B = 30C = 15D = 45
nout = rpm
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasVidutinis
UART siunčia baitus 115200 baud sparta formatu 8N1: 8 duomenų bitai, be lyginumo ir 1 stabdos bitas (-ai), plius starto bitas. Raskite didžiausią duomenų baitų skaičių per sekundę, kurį jis gali perduoti.
baud = 115200 Bd8N1
RB = B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimasSunkus
Temperatūros jutiklis duoda 20 mV/°C (0 V ties 0 °C). Jo signalas sustiprinamas 1 karto ir paduodamas į 10 bitų ADC, kurio ruožas nuo 0 iki 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Raskite temperatūros pokytį ΔTLSB, atitinkantį vieną LSB.
S = 20 mV/°CG = 1N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiVidutinis
Tilto keturių svirčių varža yra 330 Ω, Vs = 10 V. Jutiklio R₂ varža padidėja ΔR = 0,825 Ω. Taikydami mažo pokyčio artinį, raskite išėjimą Vab mV.
Vs = 10 VR = 330 ΩΔR = 0,825 Ω
Vab = mV
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliaiSunkus
120 Ω tenzojutiklis, kurio tenzojautrumo koeficientas 2, priklijuotas prie plieninio strypo. Veikiant apkrovai jo varža padidėja 0,096 Ω. Raskite deformaciją ε mikrodeformacijomis (µε).
R = 120 ΩGF = 2ΔR = 0,096 Ω
ε = µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5)), paduodama rampa r(t) = 2t. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 40 valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 4/(s(s + 10))K = 40
tp = s
11.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 36/(s² + 6s + 36), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 36/(s² + 6s + 36)
ts = s
12.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 35/(s(s + 8)). Raskite uždarosios sistemos šuolinės reakcijos 2 % nusistovėjimo laiką ts, naudodami ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 35/(s(s + 8))
ts = s
3Tirpalai
1.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: η = 87,88 %
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.
Galios
Pin = 240·12 = 2880 W
Pdev = 222·12 = 2664 W
Pout = 2664 − 133 = 2531 W
Naudingumo koeficientas
η = 2531/2880·100 = 87,88 %
Atsakymas
η = 87,88 %
2.Nuolatinės srovės varikliai
Atsakymas: n = 2957 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: T2 = 10,36 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/150,8 = 4,974 N·m
Išėjimo sukimo momentas
T2 = 4,974·50/24·1 = 10,36 N·m
Atsakymas
T2 = 10,36 N·m
4.Krumpliaračiai ir krumpliaratinės pavaros
Atsakymas: nout = 256 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 = 960·24/30 = 768 rpm = nC
Antroji pakopa
nout = 768·15/45 = 256 rpm
Atsakymas
nout = 256 rpm
bendras perdavimo skaičius = 3,75 : 1
5.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: RB = 11520 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 + 0 + 1 = 10
Baitų sparta
115200/10 = 11520 B/s
Atsakymas
RB = 11520 B/s
6.Duomenų kaupimas ir diskretizavimas
Atsakymas: ΔTLSB = 0,1611 °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 = 3300/1024 = 3,223 mV
Jautris ties ADC
20·1 = 20 mV/°C
Temperatūros skiriamoji geba
ΔTLSB = 3,223/20 = 0,1611 °C
Atsakymas
ΔTLSB = 0,1611 °C
ADC pasiekia pilną skalę ties 165 °C.
7.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: Vab = 6,25 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.
Santykinis pokytis
ΔR/R = 0,825/330 = 0,0025
Tiesinis išėjimas
Vab ≈ 10·0,0025/4 = 6,25 mV
Atsakymas
Vab = 6,25 mV
Tiksli reikšmė yra 6,242 mV; artinys geras, kol ΔR/R mažas.
8.Vitstouno tiltas ir tenzojutikliai
Atsakymas: ε = 400 µε
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 = 0,096/120 = 0,0008
Deformacija
ε = 0,0008/2 = 0,0004 = 400 µε
Atsakymas
ε = 400 µε
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,2667
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) = 7,5
Rampos paklaida
ess = 2/7,5 = 0,2667
Atsakymas
ess = 0,2667
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 0,2704 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 + 10) + 40·4 = s² + 10s + 160
ωₙ ir ζ
ωₙ = √160 = 12,65 rad/s
ζ = 10/(2·12,65) = 0,3953
Maksimumo laikas
ωd = 12,65·√(1 − 0,3953²) = 11,62 rad/s
tp = π/11,62 = 0,2704 s
Atsakymas
tp = 0,2704 s
11.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1,333 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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 36 → ωₙ = 6 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6) = 0,5
Rezultatas
ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Atsakymas
ts = 1,333 s
12.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ts = 1 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).