Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического управления и регулирования
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащее последовательно соединенные первый множительный блок, первый интегратор, второй множительный блок и первый сумматор, последовательно соединенные третий множительный блок, второй интегратор и четвертый множительный блок, выход которого соединен с вторым .входом первого сумматора, блок зоны нечувствительности, датчик частоты , первый индикатор, вход которого соединен с выходом первого интегратора, и второй индикатор, вход которого соединен с выходом второго интегратора, второй вход второго множительного блока и вход датчика частоты подключены к первому выхо-. ду генератора синусоидальных колебаний, а второй вход четвертого множительного блока соединен с вторым выходом генератора , отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, улучшения помехозащищенности и повышения точности устройства, оно содержит первый аттенюатор , последовательно соединенные второй аттенюатор, второй сумматор и первый фильтр, последовательно соединенные первый блок коррекции усиления, управляемый усилитель, второй блок коррекции усиления и третий интегратор, а также первый и второй управляющие элементы, второй и третий фильтры, причем выход первого аттенюатора соединен с входом исследуемой системы , информационный вход - с первым выходом генератора синусоидальных колебаний управляющий вход - с выходом первого управляющего элемента, который соединен также с управляющим входом второго аттенюатора и вторым входом управляемого усилителя , вход второго аттенюатора соединен с выходом первого сумматора, а выход - с вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом исследуемой системы, выход первого фильтра соединен с входом блока зоны нечувствительности , выход которого соединен с первым входом первого блока коррекции усиления, второй вход последнего соединен с выходом датчика частоты, третий вход - с выходом второго управляющего элемента, соединенного также с третьим входом второго блока коррекции усиления, второй вход которого соединен с выходом датчика частоты , выход управляемого усилителя соединен с первыми входами первого и третьСО его множительных блоков, второй вход первого множительного блока соединен с выходом второго фильтра, вход которого соеас динен с вторым входом второго множитель00 ного блока, а второй вход третьего мнооо жительного блока соединен с выходом третьего фильтра, вход которого соединен с вторым входом четвертого множительного блока , выход третьего интегратора соединен с третьим входом первого сумматора.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU„„1191888 А (Я) 4 G 05 В 23 02
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3749976/24-24 (22) 01.06.84 (46) 15.11.85. Бюл. № 42 (72) E. Н. Кисин, Б. В. Клюев, В. И. Михайлов, В. Л. Похваленский, И. В. Сычева, В. М. Тимаков и П. Е. Швецов (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1072004, кл. С 05 В 23/02. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащее последовательно соединенные первый множительный блок, первый интегратор, второй множительный блок и первый сумматор, последовательно соединенные третий множительный блок, второй интегратор и четвертый множительный блок, выход которого соединен с вторым .входом первого сумматора, блок зоны нечувствительности, датчик частоты, первый индикатор, вход которого соединен с выходом первого интегратора, и второй йндикатор, вход которого соединен с выходом второго интегратора, второй вход второго множительного блока и вход датчика частоты подключены к первому выхо-. ду генератора синусоидальных колебаний, а второй вход четвертого множительного блока соединен с вторым выходом генератора, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, улучшения помехозащищенности и повышения точности устройства, оно содержит первый аттенюатор, последовательно соединенные второй аттенюатор, второй сумматор и первый фильтр, последовательно соединенные первый блок коррекции усиления, управляемый усилитель, второй блок коррекции усиления и третий интегратор, а также первый и второй управляющие элементы, второй и третий фильтры, причем выход первого аттенюатора соединен с входом исследуемой системы, информационный вход — с первым выходом генератора синусоидальных колебаний, управляющий вход — с выходом первого управляющего элемента, который соединен также с управляющим входом второго аттенюатора и вторым входом управляемого усилителя, вход второго аттенюатора соединен с выходом первого сумматора, а выход— с вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом исследуемой системы, выход первого фильтра © соединен с входом блока зоны нечув- З ствительности, выход которого соединен с первым входом первого блока коррекции усиления, второй вход последнего соединен с выходом датчика частоты, третий вход— с выходом второго управляющего элемента, соединенного также с третьим входом вто-рого блока коррекции усиления, второй вход которого соединен с выходом датчика часО б тоты, выход управляемого усилителя соединен с первыми входами первого и третьего множительных блоков, второй вход первого множительного блока соединен с выходом второго фильтра, вход которого соединен с вторым входом второго множительного блока, а второй вход третьего мно- 00 жительного блока соединен с выходом треть- Я) его фильтра, вход которого соединен с вторым входом четвертого множительного блока, выход третьего интегратора соединен с третьим входом первого сумматора.
1191888
Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам для исследования и контроля систем автоматического управления и регулирования (САУ и Р) и предназначено для определения частотных характеристик (ЧХ) автоматических систем и их функциональных узлов.
Целью изобретения является расширение области применения, улучшение ломехозащищенности и повышение точности устройстваа.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для определения частотных характеристик САУ и Р; на фиг. 2 и 3 графики процессов подстройки идентификаторов ЧХ при отсутствии компенсации постоянной составляющей и при введении такой компенсации.
Устройство содержит четыре множительных блока 1 — 4, три интегратора 5 — 7, два сумматора 8 и 9, два аттенюатора 10 и 11, три фильтра 12 — 14, блок 15- зоны нечув- 20 ствительности, два блока 16 и 17 коррекции усиления, управляемый усилитель 18, датчик
19 частоты, два индикатора 20 и 21 и два элемента 22 и 23 управления. Кроме того, на фиг. 1 показана исследуемая САУ и P 24 и генератор 25 синусоидальных колебаний.
Вход исследуемой САУ и P 24 соединен с выходом аттенюатора 10, а выход — с первым входом сумматора 9, выход которого через последовательно соединенные фильтр
12, блок 15 зоны нечувствительности, первый блок 16 коррекции усиления и управляемый усилитель, 18 подключен к первым входам первого и третьего множительных блоков и к первому входу второго блока 17 коррекции усиления, выход которого через интегратор
7 подключен к третьему входу сумматора 8.
Выход множительного блока l через последовательно соединенные интегратор 5 и множительный блок 2 подключен к первому входу сумматора 8, выход множительного блока 3 через последовательно соединенные интегратор 6 и множительный блок 4 подключен к второму входу сумматора 8, выход которого через аттенюатор 11 соединен с вторым входом сумматора 9. Первый выход генератора 25 подключен к входу датчика 19 частоты, к второму входу множительного блока 2 и через фильтр 13 — к второму входу множительного блока 1 второй выход генератора 25 с фазой колебаний, отличной от фазы колебаний первого выхода на л/2, подключен к второму входу множительного блока 4 и через фильтр 14 -- к второму входу множительного блока 3, Вход индикатора 20 соединен с выходом интегратора 5, а вход индикатора 21 с выходом интегратора 6. Выход датчика 19 частоты соединен с вторыми входами блоков
16 и 17 коррекции усиления, третьи входы которых соединены с выходом управляющего элемента 22, а управляющие входы аттенюаторов 10 и 11 и управляемого уси25
Зо
55 лителя 18 соединены с выходом управляющего элемента 23.
Принцип действия устройства основан на автоматической компенсации установившегося на выходе САУ и P сигнала X- ..Выходной сигнал исследуемой САУ и P подается на первый вход сумматора 9, на второй вход которого поступает компенсационный сигнал, получаемый на выходе сумматора 8„путем сложения сигналов à f sinwt и agcoswt, Хк=а Psincot+ agcoscet.
При несовпадении оценок Р и (,) с истинными значениями измеряемых ЧХ P(w) и Q(w) ошибка е компенсации на выходе сумматора 9, не равная нулю, проходя через фильтр 12, блок 15 зоны нечувствительности, блок 16 коррекции усиления и управляемый усилитель 18, поступает на входы множительных блоков 1 и 3. В результате детектирования ошибки в сигналами aAq>Q
g (w)s и (wt + ср„) и аА (ы) cos (wt + срч, >((и)), где Am(w) и Ve(w) — амплитудночастотные характеристики фильтров 13 и 14, на выходах блоков 1 и 3 образуются сигналы, постоянные составляющие которых про порциональны разностным ошибкам (Ры— — Р) и (Яы — Q). Поступая далее на входы интеграторов 5 и 6, эти сигналы вызывают подстройку оценок Р (на выходе интегратора 5) и Q (на выходе интегратора 6), изменяя компенсационный сигнал Xg=
= aP sinw + agcoswt таким образом, чтобы уменьшить ошибку е компенсации вплоть до нуля. При обнулении ошибки в обнуляются детектирующие сигналы на входах ин- теграторов 5 и 6, и процессы измерения
ЧХ на этом заканчиваются. Показания индикаторов 20 и 21 фиксируют в это время значения, равные значениямЧХ исследуемой
САУи P
P=P(w); Q=Q(w)
Для обеспечения возможности изменения амплитуды синусоидального воздействия на входе САУ и P в устройство введены аттенюатор 10, компенсирующий его влияние на невязку е аттенюатор 11, коэффициенты ослабления которых меняются идентично, и дополнительный сумматор 8. Учитывая, что сигнал на выходе САУ и Р с введением аттенюатора 10 изменяется в k раз (k — коэффициент ослабления аттенюатора) т. е, Х. = ak (P (a, w) sinwt + Q (a, w)coswt невязку можно записать в виде
s = Х.ы. — ka(Psl.nwl + @совий) =
= ak(Pwstnw t + Qw t cosw t)—
„ak(Psinwt + Qcoswt) = ай((Ры)— — Р) stnw t + (Q(w) — Q) cosw t), (1) откуда следует, что какова бы ни была амплитуда синусоидального воздействия на входе САУ и P (т. е. каково бы ни было значение k), и ри равенстве нулю невязки е всегда соблюдаются равенства
Р=Р(а,w); Q= Q(a,w).
Таким образом, благодаря введению в устройство двух синхронно работающих аттеню1191888 аторов оценки Р и Q ЧХ САУ и P не зависят от амплитуды входного воздействия.
Однако изменение коэффициента k в этом случае приводит к изменению в 1 раз амплитуды ошибки в компенсации, что, в свою очередь, вызывает существенное ухудшение динамических свойств подстройки идентификаторов Р и Ц. Для устранения влияния аттенюаторов на динамические характеристики устройства в него введен управляемый усилитель 18, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально изменению коэффициента k ослабления аттенюаторов (усилитель 18 может быть реализован, например, в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого подключен аттенюатор, идентичный первым двум; при этом коэффициент усиления такого усилителя пропорционален величине 1/k).
Для точной реализации соотношения (1) и стабилизации динамических свойств устройства необходимо обеспечить одновременное идентичное изменение коэффициентов ослабления аттенюаторов и обратное им изменение коэффициента усиления управляемого усилителя. Это достигается тем, что аттенюаторы 10 и 11 и усилитель 18 управляются одним и тем же управляющим элементом 23, реализуемым, например, в виде единой ручки строенного потенциометра.
С целью дополнительного повышения помехозащищенности в схему устройства в цепь после сумматора 9, на выходе которого формируется сигнал ошибки в компенсации, введен фильтр 12 (например, колебательное звено с передаточной функцией вида ®e cr)= — — — -, реализуемое на операционном усилителе с активно-емкостными обратными связями). Введение только одного этого фильтра в схему прототипа нарушило бы его работоспособность, так как невязка после фильтрации имеет вид в = акр(и) {(Р(ы) — P)sin(avt + rp ) + (Q(m)— Q) cos( Схема фильтрации из трех фильтров обеспечивает работоспособность устройства в любом диапазоне частот. Именно такая схема фильтрации позволяет выбирать структуру и параметры фильтра 12 исходя только из условия гарантированного подавления поме5 1О 50 хи N (t) Устойчивость процессов идентификации ЧХ САУ и P обеспечивается автоматически с любыми типами фильтров. Уменьшению влияния помех (в частности, нескомпенсированных высших гармоник) способствует также введение регулируемого блока 16 коррекции усиления. Как показывают исследования, нескомпенсированные высшие гармоники выходного сигнала существенно нелинейной САУ и P приводят к возникновению установившихся колебаний оценок Р и 1„1 ЧХ около истинных значений. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем больше уровень такого рода помехи и чем больше эквивалентный коэффициент усиления Х в каналах автоматической подстройки оценок Р и Q. Изменяя коэффициент усиления Х, можно обеспечить необходимую точность определения ЧХ САУ и P. Поскольку наличие тех или иных гармоник и их амплитуды определяются конкретными нелинейностями, содержащимися в исследуемой системе, необходимая коррекция коэффициента усиления может быть осуществлена оператором при работе с реальной САУ и P. Блок 16 коррекции усиления, таким образом, должен, во-первых, как и множительный блок в прототипе, обеспечивать увеличение коэффициента Х пропорционально текущему значению а и, во-вторых, допускать регулировку коэффициента усиления оператором. Это расширяет область применения устройства, позволяя исследовать существенно нелинейные САУ и Р и повыпает точность определения ЧХ. Данный блок может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных множительного блока, осуществляющего пропорциональную коррекцию коэффициента Х по частоте, и аттенюатора, предназначенного для произвольной регулировки коэффициента уси ления вручную. В случаях, когда к устройству в целом не предъявляется высоких требований по быстродействию идентифика ции ЧХ, допустима упрощенная реализация блока коррекции усиления в виде последовательно соединенных аттенюаторов. Один из них служит для дискретной коррекции коэффициента усиления по диапазонам частот, на которые разбивается вся рабочая область частот устройства, а другой используется оператором для индивидуальной коррекции эквивалентного коэффициента усиления 1. Оператор в данном случае выполняет функции датчика частоты, переключая первый аттенюатор по диапазонам частот. Влияние постоянной составляющей на точность получаемых результатов устраняется введением в устройство дополнительного контура компенсации, содержащего интегратор 7 и блок !7 коррекции усиления. При этом алгоритм подстройки оценок ЧХ, который может быть получен градиентным методом, имеет вид 1191888 P(t) = Лавы п ю1, Д(/) = Aaecosuvt, C(t) = Лс .в (3) где С вЂ” сигнал на выходе интегратора 7, компенсирующий постоянную состав. ляющую Со, присутствующую в ошибке в компенсации; Л, — общий коэффициент усиления контура компенсации; в = Х ых(1) — qPsinwt —, agcosvvt „C = = a(P(ev) — P)sinvvt + a(@(av) — Qj Х Х cosvvt + Cv — С. При любых (Рд), Q() и С> ошибка компенсации будет тождественно равна нулю только при выполнении соотношений Р = P(vv); 6 = Q(nv); С = Со, (4) т. е. настраиваемые по алгоритмам (3) параметры Р и Q действительно представляют собой оценки ЧХ, а величина постоянной составляющей Со компенсируется сигналом в. Из графиков на фиг. 3 видно, что при наличии контура компенсации постоянной составляющей Со полностью устраняется влияние Со на работу устройства. Введение блока 17 коррекции усиления в цепь компенсации постоянной составляющей связано с обеспечением постоянных динамических свойств этого контура. Ликвидация постоянной составляющей Со в ошибке в компенсации, формирующейся на выходе сумматора 9, происходит в соответствии с передаточной функцией Тр С,(р) тр-+ 1 1 где Т= — — -; ллс Л вЂ” переменный эквивалентный коэффициент усиления каналов подстройки Р и Q, реализуемый блоком 16 коррекции усиления; Л, — коэффициент усиления блока 17 коррекции усиления. Без блока 17 коррекции (когда Л, = 1) время «списывания» постоянной составляющей Со зависит от переменного коэффициента усиления Л. при малых Л оно может быть неоправданно большим и существенно увеличивать время, необходимое для определения ЧХ САУ и P. Если же ввести блок 17 коррекции усиления и обеспечить изменение его коэффициента усиления Л, обратно пропорционально коэффициенту усиления Л в блоке 16, т. е. при Л, Зо Л 15 где ЛЛО = const, то постоянная времени Т становится постоянной Т = - — — const. Ло 20 Это означает, что постоянная составляющая Ср в ошибке в компенсации всегда устраняется за одно и то же заранее заданное время. Блок 17 коррекции усиления может быть реализован, например, в виде операционного усилителя, в обратной связи которого установлены последовательно соединенные множительное устройство, другой вход которого соединен с датчиком частоты, и аттенюатор, управляемый синхронно с аттенюатором в блоке 16 коррекции усиления одним и тем же элементом 22 управления. Элемент 22, позволяющий оператору произвольно изменять коэффициент усиления Л в контуре подстройки оценок ЧХ и обратно пропорционально ему коэффициент усиления Л, в блоке 17 коррекции усиления, может быть выполнен, например, в виде ручки сдвоенного потенциометра. 1191888 1191888 0,б а, 0Z 0,2 Ю Фиг. 3 Составитель М. Королев Редактор И. Рыбченко Техред И. Верес Корректор С. Черни Заказ 7157/45 Тираж 862 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
