Устройство для определения динамических характеристик

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК по авт.св. № 938266, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно содержит последовательно соединенные интерполятор, подключенный первым и вторым цифровыми входами соответственно к второму выходу первого регистра и пятому выходу коммутатора, и переключатель, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу датчика воздействий и входу объекта, а управляющий вход к входу датчика воздействий и управляв ющему входу интерполятора. KJ о: 00 sj л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) G 0 5 В 2 / 0 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 938266 (21) 3455326/18-24 (22) 18.06.82 (46) 28.02.84. Бюл. М 8 (72) Н.П.Вашкевич, В.Н.Гришин и Л.Н.Панков (71) Пензенский политехнический институт (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 938266, кл. G 05 В 23/02, 1980 (прототип).

2. Байков В.Д., Смолов В.Б. Аппаратурная реализация элементарных функций в ЦВМ. Л., Изд-во Ленинградского университета, 1975, с.96. (54 ) (57 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК по авт.св. 9 938266, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно содержит последовательно соединенные интерполятор, подключенный первым и вторым цифровыми входами соответственно к второму выходу первого регистра и пятому выходу коммутатора, и переключатель, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу датчика воздействий и входу объекта, а управляющий вход к входу датчика воздействий и управля ющему входу интерполятора.

1076876

Изобретение относится к антоматике, в частности к устройствам определения динамических характеристик устройств и блоков автоматических систем.

По основному авт.св. Р 938266 известно устройство для определения динамических характеристик устройств и блоков автоматических систем при подаче на вход преимущественно апериодических воздействий, содержащее регистрирующий: блок, датчик воздействий, последовательно соединенные блок записи и считынания и коммутатор, блок задания, вычислительный блок, . первый регистр и последовательно сое-15 диненные запоминающий блок, сдвигающий регистр, первый сумматор и второй регистр, а также последовательно соединенные третий регистр, второй сумматор, четвертый регистр, 20 перный блок сдвига, первый переключатель, третий сумматор и пятый регистр, последовательно соединенные второй блок сдвига и второй переключатель, выход блока задания подключен к входу датчика воздействий, третьему входу блока записи и считывания, второму входу коммутатора, первому входу первого регистра, второму входу пятог го сумматора и третьему входу первого сумматора, выходом подключенного к третьему входу нторого сумматора и четвертому входу третьего сумматора, второй выход которого соединен с четвертым входом второго сумматора и четвертым входом первого сумматора, подсоединенного пятым входом к второму входу второго регистра, а первым входом — к второму входу вто50

55 рого сумматора и пятому входу третьего сумматора, второй вход третьего регистра подключен к первому вхо- 60 ду четвертого регистра, второй выход третьего регистра — к пятому входу блока записи и считывания, второй выход четвертого регистра - к шестому входу второго сумматора, вто-у го регистра, первому входу второго З0 блока сдвига, второму входу первого блока сдвига, второму входу четвертого регистра, первому входу третьего регистра, второму входу второго регистра, входу вычислительного блока, входу запоминающего блока, второму входу сднигающего регистра, второму входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу второго переключателя, второму входу первого переключателя, второму входу третьего сумматора и первому входу регистрирующего блока, к второму входу которого подключен первый выход второго регистра и четвертый вход блока записи и считыв а- 45 ния, первый выход первого регистра подсоединен к третьему входу третьерой выход первого регистра — к.шестому входу блока записи и считывания, выход нычислительного блока — к третьему входу второго регистра, первый выход четвертого регистра — к третьему входу регистрирующего блока, выход первого блока сдвига — к третьему нходу второго переключателя, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, выход второго блока сдвига — к третьему входу первого переключателя, первый выход пятого регистра — к второму входу второго блока сдвига и четвертому входу регистрирующего блока, второй выход пятого регистра — к шестому входу третьего сумматора, первый выход коммутатора — к пятому входу регистрирующего блока, второй выход коммутатора — к первому входу первого регистра,:вторым входом подключенного к первому входу пятого регистра, третий выход коммутатора подсоединен к третьему входу пятого регистра, а четвертый выход коммутатора— к третьему входу четвертого регистра С11.

Однако функциональные возможности известного устройства ограничены.

Выработка н датчике воздействий преимущественно апериодических воздействий не позволяет определять динамические характеристики объектов при периодических, например гармонических, воздействиях. Введение в состав датчика воздействий генератора гармонических воздействий инфраниэкой и низкой частот усложняет устройство и требует значительных аппаратурных затрат при реализации.

В устройстве сначала определяют амплитудно-фазовые частотные характеристики сигналов с выхода датчика воздействий, затем по ним корректируют значения амплитудно-фазовых характеристик объекта. Учет влияния на результаты отклонения формы реального воздействия от формы идеального понышает точность определения динамических характеристик. Устройство позволяет определять широкий набор динамических характеристик, а именно спектр по реализации npomecca, спектральную плотность по корреляционной функции, корреляционную функцию по спектральной плотности, сигнал по действительной или мнимой частям регулярно спектра и амплитудно-фазовую частотную характеристику исследуемого объекта в процессе нормальной эксплуатациЯ.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения динамических характеристик до." 576876 полнительно введены последовательно соединенные интерполятор, подключенный первым и вторым цкфровыми входами соответственно к второ:-<у выходу первого регистра и пятому выходу коммутатора, и переключ .тель, второй вход и выход. которого подключены к выходу датчика воздействий и входу объекта, а управляющий вход - к входу датчика воздействий и управляющему входу интерполятора.

На чертеже изображена структурная схема устройства для определения динамических характеристик.

Устройство содержит эадатчик 1 воздействий, объект 2, блок 3 запи- 15 си и считывания, коммутатор 4, регистрирующий блок 5, регистры 6-10, блоки 11 и 12 сдвига, сумматоры

13-15, переключатели 16 и 17, вычислительный блок 18, запоминающий 20 блок 19, сдвигающий регистр 20, блок

21 задания, выход 22 и вход 23 устройства.

Задатчик 1 выполнен в виде датчика 24 воздействий, интерполятора 25, 25 переключателя 26, имеющего вход 27, выход 28 и цифровые входы 29 интерполятора 25.

Устройство работает следующим образом. 30

Сигналами из блока 21 задания устанавливаются режимы работы задатчика 1 воздействий и остальных блоков устройства.

При соединении выхода интерполято-З5 ра 25 через переключатель 26 с входом объекта 2 выполняется определение динамических характеристик при. гармонических сигналах воздействия различной частоты и сигналах, воздействия произвольной формы, представленных в цифровом виде в блоке 3 записи и считывания.

На этапе формирования сигнала гармонического.воздействия регистры 7 и 8, блоки 11 и 12 сдвига, переключа-45 тели 16 и 17 и сумматоры 13 и 14 работают в режиме совмещения операций умножения и генерации гармонических сигналов. Регистры 6 и 9 в работе не участвуют, сигналы с их выходов на 50 входы сумматоров 13 и 14 блокируются.Выход блока 11 сдвига через переключатель 17 соединяется с седьмым входом сумматора 14, а выход блока 12 сдвига через переключатель 16 - с 55 первым входом сумматора 13.

В блоке 21 задания устанавливается цифровой код амплитуды А<> и частоты ы =2ХР/Ntz сигнала гармонического воздействия, задаваемого в и дис-. 60 кретных моментов времени. Цифровой код амплитуды A сигнала гармонического воздействия с выхода блока 21 задания заносится в регистр 7, регистр 8 сбрасывается в ноль. Цифровой код частоты ир передается в вычислительный блок 18, где по номеру j дискретного момента времени и шагу дискретизации t вырабатывается код О, ш Со; — аргумент сигнала гармонического воздействия.

Выполняется и тактов вычисления двух взаимосвязанных величин Х . 1 и

У + по соотношениям метода вычисления "цифра эа цифрой" C2$.:

- е

У +„= Уд + g 2 х р

Хр+ = ХЕ - д 2 е (1)

-е

Х +1 формируется в регистра 7, Ур+ - регистре 8у Х = A Операции умножения на 2 4 заменяются в устройстве операциями сдвига на разрядов содержимого регистров 7 и 8 с помощью блоков 11 и 12 сдвига с последующей его передачей на входы сумматоров 13 и 14. Величина ф (f

+1) определяется на оснований пред« ставления аргумента 8„,, выработанного в вычислительном блоке 18, в системе счисления с искусственным порядкоМ весов 0g разрядов кода:

n-f м

Предварительно вычисленные константы 9< =агсФ 2 в каждом такте извлекаются иэ запоминающего блока 19 и и передаются на входы сумматоров 15 с таким знаком, чтобы начальное значение аргумента 6„ ;: в регистре 10

0 уменьшалось, 8г 1 — у . Энако 5 С Во

/ Г 1 11 т)1 вый разряд получаемого результата используется для управления режи мами суммировайия в сумматорах, 13 и

14. При 9„ > > У/2 код аргумента приводится к интервалу 9 с, с Х/2 и вычисление величин Х gq и У 1 корректируется с учетом тригонометрических формул приведения синусно-косинусных функций к заданному интервалу. В результате в регистре 7 формируется цифровой код величины А z> В в(ыр tz iJ (К = 1,64674 — коэффициент масштабйой деформации амплитуды . Чтобы использовать общие це- пи передачи, этот код в последнем такте вычисления вводится в регистр

6 и далее передается в интерполятор

25. В интерполяторе 25 выполняется преобразование цифрового кода в непрерывную величину, масштабное преобразование ее на величину 1/К и сглаживание сигнала гармонического воздействия. Через переключатель 26 сигнал с выхода интерполятора. 25 . воздействует на вход объекта 2 и поступает на вход блока 3 записи и. считывания.

1076876

Устройство работает аналогично в режиме с преднарительной записью в блоке 3 записи и считывания сигнала гармонического воздействия фиксированной частоты в течение требуемого для испытаний числа периодон или сиг- налов гармонического воздействия для набора частот полной программы определения динамических характеристик объекта 2. В укаэанном режиме коды отдельных значений сигналов гармонических ноздействий заносятся с выхода регистра 6 в блок 3 записи и считывания, затем с выхода этого блока через коммутатор 4 передаются на вход 29 интерполятора 25. 15

Предварительная запись в блок 3 записи и счи тын а ни я кодов сигналон ноздействия произвольного вида позволяет реализовать в устройстве опРеделение динамических характеристик 7О объекта в широком классе сигналов воздействия.

Для определения динамических характеристик объекта 2 при апериодических воздействиях переключатель 26 соединяет выход датчика 24 воздейстний с входами объекта 2 и блока 3 записи и считывания.

Предлагаемое устройство работает аналогично прототипу. ЗО

Регистры 7 и 8, блоки 11 и 12 сдвига, переключатели 16 и 17 и сумматоры 13 и 14 образуют совмещенный блок умножения, генерации гармони" ческих колебаний, функционального преобразования и деления. В регистрах 6 и 9 накапливаются суммы нычисляемых величин, Переключатели 16 и

17 н зависимости от режима работы обеспечивают необходимые соединения выходов блоков 11 и 12 сдвига с вхо4О дами сумматоров 13 и 14. Перед началом вычисления произведения величин

Хо и Уо на значения косинуса и синуса определенного аргумента они заносятся в регистры 7 и 8. Далее вы- полняются вычисления по соотношениям (1) и (2) в последовательности, рассмотренной выше.

При выполнении операции деления делимое формируется в регистре 7, делитель Уо заносится в регистр 8, частное получается в регистре 9.

Делимое уменьшается по тактам вычисления i по соотношению хЕ . = хŠ— ..е 2 У,, (3) е 55 в котором величина Е определяется по знаку Х Е и служит для формирования частного - е+ = -- e -е 2 " *

6О

0 (4) где С вЂ” константа.

В качестве генератора констант при нычислении частного используется 65 сдвигающий регистр 20, содержимое которого сдвигается в каждом такте на один разряд в сторону младших разрядов. Операции деления соответствует C=1, операции деления с умножением частного на константу — С/1. Константа С из запоминающего блока 19 перед началом деления заносится в сдвигающий регистр 20. Для вычисления величины .",е, по соотношению (3) на входы сумматора 13 с выхода регистр 7 поступает величина ХЕ, а с выхода регистра 8 через блок 12 сдвига величина 2 УЕ . По величине ( которая сохраняется в сумматоре 13 на один такт вычисления, выполняются вычисления величин ХЕ л, по сигналу (Е с выхода сумматора 14 — такт вычисления величины ЕЕ+„ . В регистре 9 частного в конце цикла вычислений хранится 2 =Хо/g C. о

Чтобы HclloJIb эонать общие цепи передачи величин в регистрирующее устройство 5, после определения младшего разряда частное передается с выхода сумматора 14 в регистр 8 и затем в регистрирующее устройство 5.

Определение амплитудно- и фазочастотных характеристик сопровождается выполнением операции определения модуля А и аргумента Ч вектора. В регистры 7 и 8 заносятся составляющие вектора по осям координат: в регистр

7 — величина Уо н регистр 8 — величина Хо, в регистр 10 аргумента — О.

Далее вычисляются величин :

Уе+1-- c - е 2 Хе;

-е е«:= е — е 2 Уе; Ее + (g >«=<(2 (5)

Величины УЕ. „ вычисляются сумматором 13 по вел.лчинам с выходов регистра 7 и блока 12 сдвига, результат вновь заносится к регистр 7. Величины Х Е+л вычисляются аналогичным образом, как величины У Е+„, с помощью сумматора 14 и блока 11 сдвига, результаты фиксируются в регистре 8.

Величина Е определяется по знаку величины УЕ „ и с выхода сумматора

13 передается для управления работой сумматоров 14 и 15. Вычисление величины УЕ+„ выполняется с использованием регистра 10, сумматора 15 и запоминающего блока 19, в котором хранятся преднарительно вычисленные константы а с е 2 . !(онстанты в тактах определения младших разрядов вырабатываются путем сдвига константы предшествующего такта с помощью сдвигающегося регистра 20. После

h тактов вычислений в регистре 8 поиеутетвует величина А = К Г т ч у о о а н регистре 10 — величина

archy у /Х

При определении амплитудно-фазовой характеристики объекта по пере(7

1076 )76 ходному процессу входное воздействие подается с выхода задатчика 1 воздействий на вход объекта 2 и на первый вход блока 3 записи и считывания, в котором происходит преобразование и запоминание выборок входного воздействия. Сигнал .с выхода объекта y(ti} (переходный процесс, вызванный входным воздействием, поступает на вход блока 3 записи и считывания, где происходит его преобразование и запоминание.

Цифровая информация )((, ;) о выходном сигнале в момент 1; через коммутатор 4 заносится в регистры 7 и 8.

Для каждой выборки сигнала x(ti) путем вычисления соотношений (1) в регистре 7 формируется х(Ф;) sin — - 1 в регистре 8 — х(1„)cosô - i .. Действительная Рх (о(р) и мнимая И Х(р) составляющие спектра входного сигна- 20 ла )5ф)1 образуются в регистрах 6 и 9 вычислением сумм:

2 й1 2

Q (д ) = — x(t, }Bin — ) =0

2Г(Р .

РХ(Р)= =N — х(} " e e"

1-" (6) 25 где wp — частота; — .число выборок сигнала;

Ю

2((р

" о р = 0,1,..., --- — 1; () .. 2 х время задания входt0 35 ного воздействия, tz — интервал дискретизации.

Аргумент i вырабатывается в

2УР . вычислительном блоке 18. После вычисления последнего слагаемого величины 6„(wp) и Р„(wp) заносятся в регистры 7 и 8. Потом выполняется операция определения модуля A)((p) и аргумента <1((wp) вектора А по его составляющим 9x(wp) и P.x (wp). В результате в регистре 8 вырабатывает

М-(Й (wp) = — M y(t.}9(a „ „ i (8)

i-0

65 ся амплитуда Ах(и1р) =

I а в регистре 1(),— фаза g (wp}=

1 1 — а) с1 Ф„(w), } /Р„(wp) спектральной составляющей входного сигнала ?x(t) .

Величина А >(wp) и Ч„ (wp) передаются в блок 3 записи и считывания и в регистрирующий блок 5. 55

Аналогичным образом преобразуется сигнал у (Н, характеризующий реакцию объекта 2 на входное воздействие )((t} . Определение величин A y(wp) и Чх (wp) происходит так же, как и ц определение величин А (и р) и Ч„(ч>р) в соответствии с выражениями

М-1

—ì, -У(;}с э м, (9)

2 27р .

1=0

8 (wp(=)P (,("" „(и,(; ((Я (ш } (u )=-(хрc tgЪ P . Pl(wр) для опредеЧисло выборок (, корреляционной функции R(<;)для интервала Корреляции Г„ и интервала дискретизации ойределяется соотношением

L = Wx/ÒI,. В блок 3 записи и считывания в этом режиме заносятся выбор.Число выборок сигнала y(t) времени обработки сигнала ляется как М = ty/to.

Для последующего выполнения операции деления величина А (и> )переУ P дается иэ регистра 8 в регистр 7.

Момент окончания вычисления величин

АУ(шр} и V>(wp) служит сигналом вы)дачи значений А,х (шр) и х(шр) из блока 3 записи и считывания через коммутатор 4 в регистры 7 и б сост"

\ ветственно. На выходе сумматора 15 формируется величина 9 (

Величины A(wp) и (жр} передаются в регистрирующий блок 5. Они также могут быть записаны в блок 3 записи и считывания для последующей обработки и воспроизведения.

При определен;(И СПеКтра ПО рЕаЛИэации процесса устройство работает так же,как и при определении амплитуд-. но-фаэовой характеристики объекта 2, не выполняется T IbKQ операция опреде ления модуля и аргумента вектора.

Выборки реализации процесса у (t;}} за- носятся в блок 3 записи и считывания.

По выражениям (8) н (9) вычисляются действительная Р У (up) и мнимая Cy(urp) составляющие спектра, которые снимаются с выходов регистров 7 и 8 и передаются в регистрирующий блок 5 или (и) в блок 3 записи и считывания.

В основе вычисления спектральHoA nJIoTHocTH S(ulр}по коРРелЯЦионной функции )1(t;) лежит зависимость (1-(5(р)- } („.)coo Р: (И

107б87б

10 ки корреляционной функции к(„.) . Зна,ния В(щ ) формируются н регистре 8. !

Учет коэффициента 2 выполняется сдни= гом содержимого регистра 8 в сторону старших разрядов кода при передаче его в регистрирующий блок 5.

Для определения .,корреляционной функции Р(10) по выборкам спектральной плотности Б («««;) на частотах ,Й;= яР/ЬГ используется соотноше ние

l (. - «

z " . («з) р() — 5(td )с» ««

T L 1=0

)5

Число выборок частоты для верхней граничной частоты « и их ин- тервала дискретизации по частоте ыо

=«и / ю . По выборкам спектральной плотности В(ш;«, поступающим из блока 3 записи и считывания, в регистре 8 н результате вычислений по выражению (13) получаются значения выборок корреляционной функции

R(pj, 2У

Определение процесса У (Ф )по действительной Р ч (j ; ) нлй мнймой

У«„ч (jw f составляющим спектра выполняется аналогично рассмотренным выше on ер ациям с исполь з ов а нием выражеЗО ний:

"1-1

2Л1 (g ) я ч () ы«) сон p i р Р«- .О 1-1

35 ч()= — .2 3 .«{«« ;}Б«" ! 1 =О

Выборки процесса g(

Учет коэффициентов 2/у««. 2/Х М, 2/TIL, в последних выражениях произ1 водится умножением содержимого регистров 7 и 8 на соответствующие константы. Константы извлекаются из запоминающего блока 19 и через сдвигающий регистр 20 передаются на входы управления сумматоров 13 и 14, где используются для формирования резуль-5О тирующих величин.

Информация о динамических характеристиках объекта может выдаваться оперативно в регистрирующий блок 5 или накапливаться н .блоке 3 записи и считывания для последующей выдачи в регистрирующий блок 5.

Предлагаемое по сравнению с прототипом устройство обладает более ши-60 рокими функциональными возможностями. Оно обеспечивает определение диВИИИПИ Заказ 746/44

Фийиал GDII "Патент, г. намических характеристик объекта прй апериодических, гармонических сигна-. лах воздействия и сигналах воздействия произвольного вида. Э качестне генератора сигналов гармонического воздействия используются имеющиеся структурные элементы, что позволяет расширить функциональные воэможности устройства с небольшими дополнительными аппаратурными затратами. В устройстве реализован алгоритм вычисления динамических характеристик объекта с учетом влияния на результаты отклонения формы реального воздействия от идеального воздействия, в качестве интерполятора без снижения точности могут быть применены простые интерполяторы нулевого и первого порядка на базе известных преобразователей цифра — аналог. Отсутствие специального генератора сигналов гармонического воздействия на объект и дополнительных средств предварительной записи кодов сигналов гармонического воздействия в блок 3 записи и считывания отличает предлагаемое устройство от известных.

Предварительная запись кодов сигналов гармонического воздействия и вычисление динамических характеристик по выборкам процесса из блока 3 записи и считывания допускает значительное (до сотых-десятых долей секунды ) время вычисления,что позволяет выполнять их в устройствах типа калькуляторов. Предварительная запись кодов сигналон гармонического воздействия для набора частот полной программы испытаний„ а также запись кодов значений сигналов воздействия произвольного вида расширяет функциональные возможности устройства и соI

1 ращает время определения динамичесих характеристик. Введение последнего режима обеспечивает автоматизацию определения динамических характеристик объекта с помощью предлагаемого устройства.практически для любой программы сигналов воздействий на объект.

Расширение объема памяти в блоке 3 записи и считынания незначительно.

Из-за последовательного характера алгоритмов работы устройства в качестве элементов памяти н блоке 3 записи и считывания могут быть применены элементы памяти с последовательным доступо««, например запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах или сдвигающих регистрах типа микросхемы К505ИР2. Дополнительные затраты памяти в последнем случае составляют несколько микросхем

К505ИР2 (or 1 до 4 в зависимости от разрядности и объема выборки1.

Тираж 842 Подписное

Ужгород, ул. Проектная,4