Устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования
(72) Автор изобретения
В. Л. Соседка
Днепропетровский ордена Трудового Красного горный институт им. Артема (7t) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-
ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ РЕ1 УЛИРОВаНф Я
Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию и предназначено для экспериментального исследования динамических характеристик линейных систем автоматического управления (САУ) .
Известен анализатор спектра, основанный на вычислении ряда Фурье, содержащий генератор гармонических колебаний, блоки умножения, интеграторы и регист.ратор. При определении амплитудно-фазовых характеристик этим анализатором система выводится на режим вынужденных колебаний, выходной сигнал системы умножается на синусоидальные и косинусоидальные колебания, а затем полученное произведение интегрируется на периоде. На выходе интеграторов получается значение вещественной и мнимой составляющей амплитудно-фазовой характеристики 1.l ..
Недостатками устройства являются . низкое быстродействие и сложность и реализации блоков умножения.
Известно также устройство для измерения амплитудных и фазовых частотных характеристик элементов и систем автоматического управления, содержашее генератор синусоидальных колебаний частот, перестраиваемый фазоврашатель, сумматор, канал подстройки амплитуды и канал подстройки фазы 2) .
Однако это устройство отличается
1Е длительностью времени анализа, так zaa . точки амплитудно-фазовой характеристики определяются путем последовательной подачи на вход исследуемой системы ряда частот, а также относительно высокой сложностью, особенно его наладки.
1$
Это объясняется тем, что каналы под стройки фазы и амплитуды содержат нелинейное звено (синхронный детектор), и, кроме этого, связаны через сумматор, что делает систему многосвязной и нелинейной;
Известно устройство для определения частотных характеристик функционирую ших объектов автоматизации, содержа3 9302 щее две группы цифровых гармонических анализаторов, многоканальное устройство сравнения с двумя группами. В процессе эксплуатации цифровые. гармоничес.кие анализаторы выделяют амплитуднофазовую характеристику (3 ) .
Однако это устройство отличается сложностью реализации линейных вибраторов и сложностью устройств для обработки выходных сигналов линейных виб- 10 раторов, повышенной чувствительностью линейных вибраторов к действию помех, а также большим количеством преобразователей аналог — код.
Известно устройство для определения частотных характеристик объектов управления, содержащее генератор полигармонических колебаний, подключенный к входу объекта.
Это устройство значительно проще, так как отсутствуют линейные вибраторы для определения скрытых периодичностей из сигнала, поступающего на вход объекта (4g .
Однако и это устройство имеет повышенную чувствительность линейных вибраторов к действию помех и отличается сложностью в аппаратурной реализации, связанной со сложностью реализации ли— нейных вибраторов и относительно большим количеством преобразователей аналог — код.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уст35 ройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования, содержащее задатчик интервала интегрирования, две группы логических блоков, последовательно соединенные
40 генератор частоты, первый делитель частоты и генератор функций Радемахера, выходы которого связаны с первыми входами первой группы логических блоков, вторые входы логических блоков через
4S блок выделения знака соединены с выходом исследуемой системы и входом преобразователя напряжение — частоты, выход которого через ключ соединен с входом блока делителей частоты, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих корреляторов, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих логических блоков, выход задатчика интервала интегрирования соединен с управляюцшм входом ключа, 5 вход - с одним из выходов генератора функций Радемахера, а выходы корреляторов гармоник выше второй связаны с входами соответствующих регистраторов
543 .
Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит второй делитель частоты и четыре сумматора, выходы.которых подключены к входам соответствующих регистраторов, причем выходы корреляторов нечетных гармоник соединены с соответствующими входами первого и второго сумматоров, выходы корреляторов удвоеной частоты нечетных гармоник связаны с соответствующими входами третьего и четвертого сумматоров, вход второго целителя частоты соединен с выходом генератора частоты, а выходы — с первыми входами второй группы логических блоков.
На чертеже представлена блок-схема устройства.
Устройство содержит генератор 1 частоты, первый 2 и второй 3 делители частоты, генератор 4 функций Радемахера, дискретно-аналоговый генератор 5 на функциях Уолша, состоящий из синтезатора 6 функций Уолша .и задатчика 7 зесовых коэффициентов, исследуемую систему 8, преобразователь напряжение— частота 9, блок 10 выделения знака, ключ 11, задатчик 12 интервала интегрирования, две группы логических блоков 13 и 14, делители 15 и 16 частоты, две группы корреляторов 17 и 18, сумматоры 19 — 22, регистраторы 23 и
24.
Генератор 1 частоты, делители 2 и
3, преобразователь напряжение — частота 9, ключ 11, делители 15 и 16, сумматоры 19 — 22, регистраторы 23 и
24. являются стандартными элементами измерительной техники.
В качестве устройства выявления знака выходного сигнала используется нульорган, в качестве задатчика 12 интегрирования используется счетчик самой низкочастотной функции Радемахера, в качестве логических блоков 13 и 14 используется элемент, выполняющий функции равнозначности, в качестве линейных корреляторов 17 и 18 используются реверсивные счетчики.
Таким образом, все перечисленные элементы относятся к стандартным элементам измерительной техники. К ним не предъявляется особых требований, поэтому не приводятся примеры их реализации. Менее распространенными блоками в данном устройстве является ге930268 6 де x (t ) — входной сигнал системы, определяемый выражением
Х(Ц=Д gin (s),. ;
s(t) — выходной сигнал, определяемый цражением
g(t)=Q & К=1 " А — аь пйитуда выходного сигнала; 1О амплитуда К-той гармоники к выходного сигнала; (т — фазовый сдвиг на К-той К гармонике; N — круговая-частота основной 1 гармоники; и — число гармоник, для которых определяется амплитудноразовая характеристика. Предположим, что У (% ) состоит из восьми гармоник. Это предположение понадобилось для того, чтобы конкретизировать блок-схему. Используем в качестве 91(Дъ(х (t+ e)j сигналы siq;nein K(s1<.Ô. и сигналы &1срСОМ пИ.Эти сигналы формируются 25 в первом делителе и генераторе и подактгся на вход групп логических блоков 13 и 14. Представим сигналы Oig)18ih KUDita В1фзсО Кафв виде ряда Фурье. Так как З0 прямоугольная волна представляется в виде ряда с нечетным количеством„гармоник, определяемым выражением (2Ф-1), где (1 = 1,2...), то сигналы Иср Мп 110 1 иаэс(т)СОВКю1 представлены s виде произ1 ведения., Подставим разложение 5 Тогда под интегралом в выражении (1) 40 будут стоять произведения двух тригонометрических рядов, у которых в силу ор.тогональности все слагаемые вида $s»n(su »ч„)s»nх(и-<)u>. аь (s) 45 0 t м (матч„)сов кое-1) ы; а (э) 0 равны нулю, кроме тех, у которых час тоты Кы;и К (2В-1) равны. Учитывая соотношения (2) и (3) для первого интегратора (К Е), выражение ,(1) принимает вид нератор 4 ортогональных функций Рапемахера и дискретно-аналоговые генераторы 5. Функции Радемахера имеют вид правильной прямоугольной кривой меандра, на нормированном интервале укладывается 2 полупериодов этого меандра (1 1,2,..., n). Функции Радемахера являются нечетными на интервале задания, поэтому их можно считать аналогом ВАС ASin M;t. При сдвиге функций Радемахера на четверть периода образуется система функций, которую можно считать аналогом&С(ПСОВ ьф по отношению к системе функций Si+09iп ю;4. Сигналы с выхода генератора 4 функ15 ций Радемахера подаются на вход дискретно-аналогового генератора 5, на входе которого появляется гармонический сигнал с частотой, определяемой самой низшей функцией Радемахера. Эта частота подается на вход исследуемой системы 8. На входе исследуемой системы 8 после затухания свободных колебаний остаются вынужденные колебания. Так как исследуется система 8 существенно нелинейная, то вынужденные колебания являются сложными периодическими функциями времени. Провести гармонический анализ — это значит представить сложное колебание в виде суммы элементарных колебаний. Преобразователем напряжениечастота 9 выходное напряжение исследуемой системы преобразуется в частоту, которая через ключ 11, управляемый задатчиком 12 интервала интегрирования, через делители 15 и 16 поступает на две группы корреляторов 17 и 18, каждый из которых управляется соответствующей ей группой логических блоков 13 и 14. На первые входы группы логических блоков 13 поступает сигнал Яср (t ) (з.(1 ) — сигнал с выхода исследуемой системы), а на вторые входы — сигналы Ы(псО К(1),.В(К=1, 2, ..., 8; К вЂ” число одновременно определяемых гармоник в выходном сигнале. Это число может быть любым. Мы приняли для примера, что К = 8). На первые входы . группы логических блоков 14 поступает сигнал51а(р 1(), а на вторые входы поступают сигналы, соответствую(цие 91ф1 Ь1Миф Как известно, взаимная релейная корреляционная функция входного и выходного сигнала записывается в виде » „(»)=)щ! в» »»(х(»»с))л»,,«> »х х(О)= — А ()х ()и»)»))вази»)»ц ()би;)» 930288 1О И 30 3S 55 «gxx(()= У," (Я> >,) Зафи;)«Лщ(>>ю )« " 1(З™1} > ® для второго интегратора (К*=2) r<,„(o)==A (,(>L-1 .(> )) ( «„Я)Л (() (> ),) )(>ьи;)),(1) ,>(ля третьего интегратора (К=З) «ъ,„„(о+ (>> (>ь >)), (а) «„„{,}, -, (3m(>3,.)), (> для четвертого интегратора (К=4) >(<„„(a) = „ - (>(»,(>4>,)), ( "a xx(q) =>> A Рт(> >)). («> Аналогично можно получить выражение для всех генераторов, иэ которых может быть получена система уравнений. ,Учитывая, что количество известных равно числу уравнений, а сами уравнения, кроме двух первых, развязаны друг относительно друга, довольно просто получаются все значенияЙЯ{)(Ю„}и> {К.Ю„}. Операция умножения осуществляется группой корреляторов 17 и 18, которые управляются сигналами с выхода соответствующих логических блоков 13 и 14. Определение действительной и мнимой частот амплитудно-фаэовой характеристики для Зщ. и более высоких частот оп1 ределяется по показанию двух групп регистраторов 23 и 24. Показывающие приборы для Ю *= Ю1. и а>= >).Ш; соединены с выходом корреляторов через сумма торы >{19 — 22). На)иример, чтобы получигь значение 99 (щ }необходимо, согпасно выражению (4), вычесть из показания коррелятора основной гармоники (Ж - Ю ) показания корреляторов треть1 ей, пятой и седьмой гармоник (Ю = ЗЖ„;, Ш = 5Ю.; Ж* 7 Ю. ). Эту операцию 1 1 )выполняет сумматор 20. Аналогичную операцию, но при определении J { j ц) ) выполняет сумматор 19. Определенпе g (g ц> ) и) (d.-(01) выполняется в сум.В маторах 22 и 21 согласно выражениям (6) и (7). Таким образом, введение делителя частоты, который соединен с входом введенных логических блоков, а также соединения выходов корреляторов, определяюших нечетные гармоники, и выходов . корреляторов, олрецеляющих гармоники путем умножения нечетных гармоник на два, соединенных с входами блоков алгебраического сложения, позволяет расши рить функциональные возможности устройства, Формула изобретения Устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования, содержащее задатчик интерва) ла интегрирования, две группы логических блоков и последовательно соединенные генератор частоты, первый целитель частоты и генератор функций Радемахера, выходы которого связаны с первыми .входами первой группы логических бло) ков, вторые входы логических- блоков через блок выделения знака соединены с выходами исспедуемой системы и входом преобразователя напряжение — частота, выход которого через ключ соединен с входом блока делителей частоты, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих корреляторов, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих логических блоков, выход задатчика интервала интегрирования соединен с управляющим входом ключа, вход — с одним иэ выходов генератора функций Радемахера, а выходы корреляторов гармоник выше второй связаны с входами соответствукяцих регистраторов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей устройства, оно содержит второй делитель частоты и четыре сумматора, выходы которых подключены к входам соответствующих регистраторов, причем выходы корреляторов нечетных гармоник соединены с соответствующими входами первого и второго сумматоров, выходы корреляторов удвоенной частоты нечетных гармоник связаны с соответствующими входами третьего и четвертого сумматоров, вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора частоты, а выходы — с первыми входами второй группы логических блоков. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 Авторское свидетельство СССР Л". 446035, кл. Q 05 В 23/02, 1972 . 2 Авторское свидетельство СССР >, - 199229, кл. Q 05 В 23/02, 1966. 3. Авторское свидетельство СССР Y 307390, кл. QOG В 23/02, 1970. 4. Авторское свидетельство СССР rro заявке Y 2454270. кл. Q 05 В 23/02, 1977. (прототип}.
