Устройство для определения динамических характеристик

 

72) Авторы (54} УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

Изобретение относится к автоматике в частности к устройствам определения динамических характеристик устройств и блоков автоматических систем, и может быть использовано для определения характеристик устройств различного назначения.

Известно устройство для определения частотных характеристик ис" ледуемого объекта при подаче на его вход единичного воздействия, содержащее дифференцирующий блок, соединенный с выходом объекта, блок записи и считывания, вход которого соединен с выходом дифференци- . рующего блока, а выходы — с первыми входами блоков умножения, генератор гармонических сигналов, выходы которого соединены с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выходы которых соединены с входами первого и второго интеграторов, первые выходы которых соединены с входами функционального блока, выход которого и выход соответствующего интегратора соединены с входами блока деления и регистрирующее устройство, входы которого соединены с выходами интеграторов, блока деления и функ" ционального блока П ).

Однако данное устройство имеет невысокую точность в определении характеристик объекта: особенно при наличии помех, ограниченные функцио о нальные возможности и сложно в изготовлении, так как состоит из значительного числа различных по назначению и структуре блоков и устройств.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения динамических характеристик системы .автоматического управления при подаче на ее вход апериодических воздействий, содержащее регистрирующий блок и последовательно соединен ные датчик воздействия, блок записи и считывания и коммутатор, выход

3 938266 датчика воздействий подключен к выходу устройства, второй вход блока записи и считывания - к входу устройства.

8 этом устройстве сначала опре" деляются амплитудно-фазовые частотные характеристики датчика входного воздействия, затем по ним корректируются значения амплитудно-фазовых частотных характеристик объекта. 10

Вследствие учета влияния на результаты отклонения формы реального воздействия повышена точность определения динамических характеристик.

Устройство позволяет определять широ .д кий набор динамических характеристик, а именно, спектр по реализации процесса, спектральную плотность по корреляционной функции, корреляцион- ную функцию по спектральной плотности, сигнал по действительной или мнимой частям регулярного спектра, амплитудно-фазовую характеристику исследуемого объекта в процессе нормальной эксплуатации 2 1.

2$

Однако известное устройство сложно в изготовлении, так как содержит значительное число различных по струк" туре устройств и блоков вычисления динамических характеристик и требует значительных аппаратурных затрат для реализации.

Цель изобретения - упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены блок задания, вычислительный блок, первый регистр и последовательно соединенные запоминающий блок, сдвигающий регистр первый сумматор и второй регистр, а е также последовательно соединенные третий регистр, второй сумматор, четвертый регистр, первый блок сдвига, первый переключатель, третий сумматор и пятый регистр, последовательно соединенные второй блок сдвига и второй переключатель, причем выход блока задания подключен к входу датчика воздействий, третьему входу блока записи и считывания, второ" му входу коммутатора, второму входу пятого регистра, первому входу вто. рого блока сдвига, второму входу пер" вого блока сдвига, второму входу четвертого регистра, первому входу третьего регистра, второму входу второго регистра, входу вычислительного блока, входу запоминающего блока, второму входу сдвигающего регистра, вто4 рому входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу второго переключателя, второму входу первого переключателя, второму входу третьего сумматора, первому входу регистрирующего блока к второму входу которого подключен первый выход второго регистра и четвертый вход блока записи и считывания, выход первого регистра подсоединен к .третьему входу третьего сумматора.и третьему входу первого сумматора, выходом подключенного к третьему входу втОрого 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 выходу второго регистра, а первым входом " к второму входу второго сумматора и пятому входу третьего сумматора, второй вход третьего регистра - к первому входу четвертого регистра, второй выход третьего регистра - к пятому входу блока записи и считывания, второй выход четвертого регистра - к шестому входу второго сумматора, второй выход пер" вого регистра - к шестому входу блока записи и считывания, выход вычислительного блока - к. третьему входу второго регистра, первый выход четвертого регистра - к третьему входу регистрирующего блока, выход первого блока сдвига - к третьему входу второго переключателя, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, выход второго блока сдвига - к третьему входу первого переключателя, первый выход пятого о 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 коммутаторак третьему входу пятого регистра, четвертый выход коммутатора - к третьему входу четвертого регистра.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства, Устройство содержит датчик 1 воздействий, объект 2, блок 3 записи

38266 6

5 9 и считывания, коммутатор 4, регистрирующий блок 5, регистры 6-10, блоки tl и 12 сдвига, сумматоры 13

14 и 15, переключатели 16 и 17, вычислительный блок 18, запомина-" ющий блок 19, сдвигающий регистр 20 и блок 21 задания.

В основу вычислений динамических характеристик положен итерационный процесс, известный в литературе как, метод вычисления "цифра эа цифрой" описанный, например в f3).

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

16 и 17 в зависимости от режима работы обеспечивают необходимые соединения выходов блоков 11 и 12 сдвига с входами переключателя 16 и 17. Перед началом вычисления произведения величин Хо и Уо на значения косинуса

:и синуса определенного аргумента они заносятся в качестве исходных ве" личин в регистры 7 и 8. Получение и-разрядного результата осуществляется после и тактов вычисления двух взаимосвязанных величин I -0 . -О

>"g+y ХЕ-5gЯ "g (1):

Операции умножения на 2 Е зайеняются в устройстве операциями сдвига на 1 разрядов содержимого регистров

7 и 8 с помощью блоков 11 и 12 сдвига с последующей его передачей на входы сумматоров 13 и 14. Величины

F <($<-=i1) определяются на основании представления аргумента Q<, вырабо" танного в вычислительном блоке 18, к системе счисления с искусственным порядком весов Q,g разрядов кода:

h-1 -8

e=L 9 =Г archy% ()

Е=о Е=о

Предварительно вычисленйые константы arctg2 Ев каждом такте извлекаются из запоминающего блока 19 и передаются на входЫ сумматора 15 с таким знаком, чтобы начальное значение аргумента Qg в регистре 10 умень Р шилосьЯ - „ Е- 9. 0.3íàêoaûé разряд

0i333 получаемого результата $ g используется для управления режимами суммирования в сумматорах 13 и 14. Произведение величины Х и Уо.на косинус и синус определенного аргумента получаются по рассмотренному алгоритму увеличенными на величину К=l, 64676. Однако, как будет показано ниже, окончательный результат получен без масштабной деформации. Для

lan/ агсйд2 =2 . Поэтому константы

-е -е

1о в младших тактах вычисления вырабатываются с помощью вычислительного блока 20 путем сдвига его содержимого на 1 разряд. Это позволяет сократить в 2 раза емкость запоминающего бло<5 ка 19.

При выполнении операции деления делимое формируется в регистре 7, делитель У заносится в регистр 8, частное получается в регистре 9. Делимое уменьшается по тактам вычисле" ния 1 по соотношению хЕ,1= хе- е 2- Yp (3) в котором величина $g определяется по знаку Х и служит для формирования частного

Zp+q = Zg+(p 2 С, Z0- =0 (4) где С - константа.

В качестве генератора констант при вычислении частного используется сдвигающий регистр 20, содержимое которого сдвигается в каждом такте на l разряд в сторону младших разрядов. Операции деления соответствует

C=1, операции деления с умножением частного на константу - СФ1. Константа С из запоминающего блока 19 перед началом деления заносится в сдвигающий регистр 20. Для вычисле40 ния величины хе 1 по соотношению (3 ) на входы сумматора 13 с выхода ре.гистра 7 поступает величина Х, с вы хода регистра 8 через блок 12 сдвига величина 2 УЕ . По величине $, ко торая сохраняется в сумматоре 13 на один такт вычисления, выполняется вычисление величины Хр „, по сигналу .

f< с выхода сумматора.14, последний выполняет такт вычисления величины

2Е . В регистре 9 частного в конце цикла вычисления хранится 2--QIY> C.

Чтобы использовать общие цепи передачи величин в регистрирующий блок

5, после определения младшего разряда частное передается с выхода

55 сумматора 14 s регистр 8 и затем в регистрирующий блок 5.

Определение амплитудно- и фазочастотных характеристик сопровожда7 93826 ется выполнением операции определе" ния модуля А и аргумента Ч вектора.

В регистры 7 и 8 заносятся составля ющие вектора А по осям координат: в регистр 7 - величина-УО, в регистр 8- 5 величина Хо, в регистр 10 аргумента -

О. Далее вычисляются величины

-Г

")+.1= Ч Р- (g 2. ХР

-0

Xb }(,+FP K Ylr i

Ч,„=Ч с1гСЬ 2 . ся амплитуда А1 (ар)"ах(Р) регистре 10 - фазаЧi (V )= cl c, х Р Р(мр) спектральной составляющей входного сигнала X(t) . Величины АХ(ар)и Ч (Юр)ле, редаются в блок 3 записи и считывания и в регистрирующий блок 5.

Аналогичным образом преобразуется сигнал Y(t), характеризующий реакцию объекта 2 на входное воздействие X(t). Определение величин

; (Юр } иЧ (И )происходит также, как и определение величин А„(щр) и Ч„(щ } в соответствии с выражениями

Величины Yg „ вычисляются суммато ром 13 по величинам с выходов ре гистра 7 и блока 12 сдвига, результат вновь заносится в регистр 7. Be" личины Х +1 вычисляются аналогичным образом, как. величины У „,с помо" щью сумматора 14, блока 11 сдвига, результаты фиксируются в регистре 8.

Величина определяется по зиаку величины Yg> и с выхода сумматора 13 передается для управления работой сум g5 матора 14, 15. Вычисление величины ф„выполняется с использованием ре" гистра 1Q, сумматора 15 и запоминаю" щего блока 19, в котором хранятся предварительно вычисленные .константы arctic 2 . Константы в тактах определения младших разрядов вырабатываются путем сдвига константы предшествующего такта с помощью сдвигающего регистра 20. После и тактов вычисления в регист е 8 присутствует

З5 величина А = К Х + У0, в„регистре о

10 - величина 9 =-arctg -. хо

В режимах определения динамических характеристик устройс тво работает следующим образом.

При определении амплитудно-фазовой характеристики объекта по переходному процессу входное воздействие, например прямоугольный импульс, 45 подается с датчика 1 воздействий на вход объекта 2 и на первый вход блока 3 записи и считывания, в котором . происходит преобразование и заломинание выборок входного воздействия.

Сигнал с выхода исследуемого объекта

y(t) (переходной процесс),.вызван.Ный входным воздействием, поступает на вход блока 3 записи и считывания, где также происходит его преобра55 зоваиие и запоминание.

Цифровая информация X(t ) о выход- ном сигнале в момент времени t; через коммутатор 4 заносится в регистры 7

6 .8

> и 8. Для каждой выборки сигнала X(t ) путем вычисления соотношений (1).в регистре 7 формируется X(t„ )sfn2ЯР/М! в регистре 8 - X(t) cos l l. Дей.ствительная P>((OP)и О (мр}мнимая составляющие спектра входного сигнала

X(t) образуются в регистрах б и 9 вычислением сумм Й-1 яр

Ю (оз )=-)Г X(t;)sin „ i (И

1=0

Р1(Р) gÐС X(4;)@OS 1 1 ()

1=0 где др- частота;

М - число выборок сигнала;

0.ЛР Р0 1

Р ИСО

М - х х .время установлеДия вход х о ного воздействия, to" интервал дискретизации.

Аргумент вырабатывается в l3jPi. блоке t8 формирователя аргумента.

После вычисления последнего слагаемого величины Щцф)и Px(®p} заносятся в регистр 7 и 8. Потом выполняется операция определения модуля

Ах (iор) иЧ (мр}аргумента вектора A по его составляющим Q<(+4 Р, ((ир). В результате в регистре 8 вырабатывает р)=- »; з(„.)sin „ i (8} ьр.

1=0

Оц(ыр}= — С Щ)сов, (9) й-1 Ур

iв--О

Ч.„(ш„)=- агс с((Я„(мр)/Р, (ю )).(ю }

Число выборок сигнала y(t) для време- ни установления сигнала и М=

ts

Ео

9 9382

Для последующего выполнения опеЩ ции деления величина А (ЮР) передается из регистра 8 в регистр 7. Момент окончания вычисления величин

А (ж } и9 (мр)служит сигналом выдачй значений A<(Lop) t(<(Opsia блока 3 записи и считывания через коммутатор

4 в регистры 7 и 6 соответственно. На выходе сумматора 15 формируется величина 9(жр): Ч (мр)- Цшр) характери- 1о зующая фазо-частотную характеристику объекта 2, в регистре 8 после выполнения операции деления - величина

A> (x>)

Я (Q}p},. определяющая амплиА Мр) тудно-частотную характеристику объекта 2. Так как величины А (wp)frt А1,(щр) первоначально получены увелйченнйми в одинаковое число V. рав, после выполнения операции деления результирующая величина А(жр) получается без увеличения.

Величины А(ш ) иЧ(а )передаются в регистрирующий блок 5. Они также могут быть записаны в блок 3 записи и считывания для последующей обработки и воспроизведения.

При определении спектра по реали" зации процесса устройство работает также, как и при опредеЛении амплитудно-фазовой характеристики объекта 2, не выполняется только операция определения модуля и аргумента вектора. Выборки реализации процес- 35 са y(t„) заносятся в блок 3 записи и считывания. По выражениям (8 ) и(9) вычисляются действительная Py(MJ ) и мнимая Q (tv>2 составляющие спектра, которые снимаются с выходов регист-. ров 7 и 8 и-передаются в регистрирующий блок 5 или (и)в блок 3 записи и считывания.

В основе вычисления спектральной плотности S(40p) по корреляционной функции К(С;) лежит зависимость ,). L-1 Мр)= — Hл Й (1; )СОВ 1, (1 1 ), Число выборок L корреляционной

50 функции К(С„.)для интервала корреляции l и интервала дискретизации

К L

То определяется соотношением 1.= -"С а

В блок 3 записи и считывания в эт8м режиме заносятся выборки корреля.55 ционной функции R(t;). Значения 5(щР) формируются в регистре 8. Учет коэффициента 2 выполняется сдвигом со66 10 держимого регистра 8 в сторону старших разрядов кода при передаче его в регистрирующий блок 5.

Для определения корреляционной функции В(СР)по выборкам спектральной плотности S(w ) на частотахОд.=

1Л

1, .1 "О

r используется соотношение !

R "р)= — i s (uu;) cos P. (Я.) ,) 41- д.

3)4. „О 1

Число выборок частоты L для 8| px"

I неи граничной частоты w< и интервала дискретизации по частоте мо равно — — По выборкам спектральной (ис плотн8сти 5(и ),поступающим из блока

3 записи и считывания, в регистре 8 .в результате вычислений по выражению 13) получаются значения выборок корреляционной функции К(Тр).

Определение процесса Y(tp) по действительной Rgy(j )или мнимой 1 Y(jbi) .1 m составляющим спектра выполняется аналогично рассмотренным операциям с использованием выражений

1 4,,--" ц,„ у(р)= Я J ()lLJ<.)cos

41-1

+ 2= 3 (5

9Л1

3L Lр

Выборки процесса Y(tp) с выходов регистров 7 и 8 передаются на входы

-регистрирующего устройства 5.

Учет коэффициентов —,, в

Q.

JiN Хй Х ., последних выражениях производится ум1 ножением содержимого регистра 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 результирующих величин. Информация о динамических характеристиках объекта может выдаваться оперативно в регистрирующий блок 5 или накапливаться в блоке 3 записи и считывания для последующей выдачи в регистрирующий блок 5. Изменение вида возмущения выполняется по сигналам управления из блока 21 задания. Это расширяет функциональные возможности устройства.

Так как вычисление динамических характеристик объекта 2 происходит не в реальном времени, à по выборкам процесса из блока 3 записи и счи11 93826 тывания допустимо значительное (до сотых-десятых долей секунды время вычисления характеристик. Вследствие этого можно применить простейшие блоки и устройства с последовательной обработкой величин:, блок 3 записи и считывания может быть выполнен в ви де сдвигающих регистров. Емкость его равна N n K, где М - объем выборок, и - разрядность выборок и резуль- 0 татов, К - число упорядоченных массивов.информации. В качестве регистров

6,7,8,9,1О,2О используются сдвигающие регистры, блоков 71 и 72 сдвига " цифровые переключатели выходов раз- 15 рядов регистров на основе логических элементов, сумматоров 73, 14 и 1 одноразрядные сумматоры последовательного типа.

Емкость запоминающего блока 79 не 26 превосходит и+4 ячеек, включая ячейки для хранения констант 7/К, 7/ЛЙ, 7ЛМ, 7/Х1.1. С учетом приведенного выше замечания и для Й = И -L емкость запоминающего блока 79 может быть И уменьшена.

Таким образом, устройство может быть реализовано с применением самых простых тйповых схем.

30 формула изобретения

Устройство для определения динамических характеристик, содержащее регистрирующий блок и последовательно соединенные датчик воздействий, блок записи и считывания и кбммутвтор, выход датчика воздействий подключен к выходу устройства, .второй вход блока записи и считывания - к входу устройства, о. т л и ч а ю щ е е с я тем,.что, с целью упрощения устройства, в него введены блок задания, вычислительный блок, первый регистр и последовательно соединенные запоминающий блок, сдвигающий регистр, первый еумматор и второй регистр, а также последовательно соединенные третий регистр, второй сумматор, 50 четвертый регистр, первый блок сдвига, первый переключатель, третий сумматор и пятый регистр, последовательно соединенные второй блок сдви" га и второй переключатель, причем

55 выход блока задания подключен к вхо" ду датчика воздействий, третьему входу блока записи и считывания,. второму входу коммутатора, второму вхо12 ду пятого регистра, первому входу второго 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 сдвигающего регистра, второму входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу второго переключателя, вто- рому входу первого переключателя, второму входу третьего сумматора, первому входу регистрирующего блока, к второму входу которого подключен первый выход второго регистра и четвертый вход блока записи и считывания, выход первого регистра подсоединен к третьему входу третьего сумматора и третьему входу первого сумматора, выходом подключенного к третьему входу второго сумматора и четвертому входу тре" тьего сумматора, второй выход которого соединен с четвертым входом второго сумматора и четвертым входом первого сумматора, подсоединенного пятым входом к второму выходу второго регистра, а первым входом - к второму входу второго сумматора и пятому входу третьего сумматора, второй вход третьего регистра " к первому входу четвертого регистра, второй выход третьего регистра - к пятому входу блока записи и считывания, второй выход четвертого регист ра " к шестому входу второго сумма" тора, второй выход первого регистрак шестому входу блока записи и считывания, выход вычислительного блока - к третьему входу второго регистра, первый выход четвертого регистра - к третьему входу регистрирующего блока, выход первого блока сдвига - к третьему входу второго переключателя, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, выход второго блока сдвигак третьему входу первого переключателя, первый выход пятого регистрак второму входу второго блока сдвига и четвертому входу регистрирующего блока, второй выход пятого регистра - к шестому входу третьего сумматора, первый выход коммутатора - к прямому входу регистрирующего блока„ второй выход коммутатора - к первому входу первого регистра, вторым входом подключенного к первому входу

13 938266 14 пятого регистра, а третин выход KQM N 375626, кл. G 05 В 23/02) 1973 мутатора - к третьему входу пятого 2- Авторское свидетельство СССР регистра, четвертый выход коммута- 599255, кл. G 05 S 23/02) 1978 тора - к третьему входу четвертого (прототип ), регистра. 3. Байков В. Д. и Смолов В. Б.

Источники информации, Аппаратурная реализация элементарпринятые во внимание при экспертизе ных функий в ЦВИ. Л. Изд-во, 1. Авторское свидетельство СССР " Ун Taý

Составитель Г. Нефедова

Редактор A. Бандор ТехредJl. Пекарь Корректор И. Демчик

Заказ 4464/72 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, N-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4