УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВЕНЬЕВ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 1996 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к автоматике, а именно: к экспериментальному определению динамических характеристик систем автоматического регулирования (САР) и может быть использовано для определения частотных характеристик систем с обратными связями, например станочных систем, в условиях их нормальной эксплуатации, контроля или экспериментального исследования.

Определение частотных характеристик звеньев динамических систем позволяет повысить эффективность и снизить стоимость оптимизации оборудования.

Известно устройство для определения частотных характеристик элементов и САР [1] которое содержит генератор тестовых сигналов, подключенных ко входу исследуемой динамической системы, измерительные преобразователи на входе и выходе идентифицируемого звена, настраиваемые фильтры, регистрирующий блок и блок стабилизации тестового сигнала.

Известно также устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем [2] содержащее регистрирующий блок, последовательно соединенные генератор тестовых сигналов и усилитель мощности, а также первый и второй измерительные преобразователи, входы которых связаны соответственно со входом и выходом исследуемого звена системы, вход которой соединен с выходом вибратора.

Недостатком известных устройств является то, что они не позволяют определять частотные характеристики широкого класса системы, у которых имеется два и более звена с выходом на общий сумматор, а измерение сигналов непосредственно на выходе каждого из этих звеньев физически неосуществимо.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем [3] которое содержит последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибраторы, и исследуемую динамическую системы, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок. Измерительные преобразователи через согласующие усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) связаны с блоком памяти, к которому также через АЦП подключен через усилителя мощности. Блок памяти имеет двухстороннюю связь с блоком решения системы линейных алгебраических уравнений.

При снятии динамической характеристики идентифицируемого звена тестовый сигнал от генератора через усилитель мощности и коммутатор подается к одному из вибраторов, подключенных к исследуемой системе. Сигналы, снимаемые с выходов исследуемой системы, через измерительные преобразователи, согласующие усилители и АЦП поступают в блок памяти, куда подается через отдельный АЦП тестовый сигнал. После получения заданного количества значений блок решения системы линейных алгебраических уравнений с помощью коммутатора переключает выход усилителя мощности на второй вибратор, а затем проводятся операции в аналогичной последовательности. В заключении блок решения производит математическую обработку полученных данных и выводит результаты идентификации на регистрирующий блок.

Однако, применение данного устройства возможно лишь для определения частотных характеристик звеньев динамических систем, у которых физически реализуема подача тестовых сигналов по всем необходимым для идентификации переменным, что характерно для ограниченного класса динамических систем.

Существует класс систем, у которых подача тестовых сигналов по необходимым для определения частотных характеристик переменным физически не осуществима по различным причинам (невозможность подключения вибратора, отсутствие вибраторов с необходимым для идентификации типом выходной переменной и т.п.). Применение методов преобразования структурных моделей систем, при которых передаточные функции не идентифицируемых звеньев приводятся к передаточным функциям доступных звеньев не дает полного представления об исследуемой системе и вызывает значительные погрешности при анализе этого класса систем и синтезе корректирующих устройств для них.

Задача изобретения расширение функциональных возможностей устройства путем исследования систем, для которых невозможна подача тестовых сигналов по необходимым для идентификации переменным.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибратор и исследуемую динамическую систему, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок, согласно изобретению, дополнительно введены три цифровых анализатора спектра, второй, третий и четвертый коммутаторы, шесть блоков ОЗУ, шесть регистров сдвига, элемент И-НЕ, счетчик, блок управления и дополнительная динамическая система, при этом первый выход блока управления подключен к входам всех коммутаторов, второй выход к управляющим входам цифровых анализаторов спектра, третий выход блока управления через счетчик соединен с адресными входами шести блоков ОЗУ, четвертый выход блока управления подключен к тактовым входам шести регистров сдвига, пятый выход блока управления к тактовому входу блока решения системы линейных алгебраических уравнений, шестой выход блока управления к входам шести блоков ОЗУ, седьмой выход блока управления соединен с входами выбора режима работы всех регистров сдвига, цифровые анализаторы спектра включены между выходами второго, третьего и четвертого коммутаторов, выходы которых попарно подключены к входам блоков ОЗУ, выходы которых подключены к параллельным входам шести регистров сдвига, выход второго регистра сдвига через последовательно соединенные первый, четвертый, шестой, третий и пятый регистры сдвига соединен с первым информационным входом блока решения системы линейных алгебраических уравнений, второй информационный вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, вход блока управления через элемент И-НЕ подсоединен к выходам цифровых анализаторов спектра, а первый коммутатор включен между исследуемой системой и дополнительной системой.

Введение дополнительной динамической системы позволяет организовать внешнее звено, вход и выход которого совпадают со входом второго идентифицируемого звена исследуемой системы. При этом уравнения, описывающие сигналы в узлах исследуемой системы при подключении дополнительной системы и без нее получаются линейно независимыми и состоящая из них система линейных уравнений становится разрешимой относительно частотных характеристик идентифицируемых звеньев динамической системы.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения частотных характеpистик звеньев динамической системы;
на фиг.2 структурная схема блока управления устройства;
на фиг.3 тактовая диаграмма работы элементов блока управления устройства при выполнении первой команды (индексы при напряжениях на диаграмме обозначают напряжения на выходах соответствующих блоков);
на фиг. 4 блок-схема алгоритма функционирования цифрового анализатора спектра.

От генератора тестовых сигналов 1 через усилитель мощности 2 осуществляется питание вибратора 3, выход которого подключается ко входу одного из идентифицируемых звеньев исследуемой системы 4. В качестве генератора тестовых сигналов 1 использован генератор белого шума. Первый измерительный преобразователь 5₁ подключается так, чтобы он измерял переменную исследуемой системы 4, являющуюся суммарным выходным сигналом идентифицируемых звеньев, а два других измерительных преобразователя 5₂ и 5₃ входные переменные этих звеньев. Выходы преобразователей 5 подключены соответственно к аналоговым входам трех цифровых анализаторов спектра 6. Их адресные и информационные цифровые выходы, а также выходы управления записью через три коммутатора 7 соединены попарно с соответствующими входами шести блоков ОЗУ 8, информационные выходы которых подключены к параллельным входам шести универсальных регистров сдвига 9. Последовательные входы (младший разряд) и выходы (старший разряд) универсальных регистров сдвига 9 соединены следующим образом: выход 9₂ через 9₁, 9₄, 9₆ и 9₃ ко входу 9₅. Выход универсального регистра сдвига 9₅ подключен к входу регистра ввода информации блока решения системы линейных алгебраических уравнений 10, который имеет параллельный информационный выход на регистрирующий блок 11, а его тактовый вход подключен к выходу 5 блока управления 12. Выход 3 блока управления 12 подключен к входу счетчика 13, параллельные выходы которого соединены с адресными входами блоков ОЗУ 8. Вход 8 управления 12 связан с выходом элемента И-НЕ 14, три входа которого подключены к выходам сигнала окончания преобразования цифровых анализаторов спектра 6. Выход 1 блока управления 12 связан с управляющими входами трех коммутаторов 7 и коммутатора 15, который подключает к входной переменной второго идентифицируемого звена исследуемой системы 4 дополнительную динамическую систему 16. Выход 6 блока управления 12 подсоединен к входам выборки кристалла всех блоков ОЗУ 8, выход 7 к входам выбора режима работы универсальных регистров сдвига 9, и выход 4 к их тактовым входам и тактовому регистру ввода информации блока решения систем линейных алгебраических уравнений 10.

Блок управления 12 содержит генератор импульсов 17, выход которого через один вход элемента И 18 связан со счетчиком 19, разрядные выходы которого подключены к входным линиям дешифратора 20. Дешифратор 20 имеет девять выходов, причем: первый 1 подключен к установочному входу S R триггера 21, третий 3 к формирователю импульса 22, четвертый 4 последовательно через формирователь импульса 23 к элементу задержки 24, пятый 5 к формирователю импульса 25, восьмой 8 через элемент задержки 27 к первому входу элемента И НЕ 28, второй вход которого является входом 8 блока управления 12, а выход элемента И НЕ 28 вторым входом элемента И 18. Выход 9 дешифратора 20 подключен к управляющему входу генератора импульсов 17. Остальные выходы дешифратора 20 непосредственно являются одноименными выходами блока управления 12.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально обнуляются счетчики 13 и 19, а также сбрасывается в "0" R
S триггер 21. Затем включается генератор тестовых сигналов 1, который через усилители мощности 2 и вибратор 3 возбуждает исследуемую динамическую систему 4. После завершения переходных процессов в системе 4 запускается генератор импульсов 17.

Первый импульс через элемент И 18 поступает на счетчик 19. Комбинация на параллельных выходах разрядов счетчика рассматривается как первая команда, преобразуемая дешифратором 20 в сигналы на его выходах 2 и 8. С выхода 2 блока управления 12 сигнал поступает на управляющие входы цифровых анализаторов спектра 6 и запускает их. Сигнал с выхода 8 дешифратора 20 с задержкой на элементе 27 поступает на вход элемента И-НЕ 28, на его выходе "0" подается на второй вход элемента И 18, что блокирует прохождение сигналов от генератора импульсов 17 на вход счетчика 19. После получения запускающего сигнала в каждом цифровом анализаторе спектра 6 реализуется следующий алгоритм: устанавливается начальная частота анализа спектра ω_i=ω_н и на адресном выходе анализатора выдается нулевой (начальный) адрес l 0; производится узкополосная фильтрация входного сигнала от измерительного преобразователя на установленной частоте ω_i и на информационном выходе анализатора устанавливается цифровое значение действительной составляющей спектра на этой частоте S^c(ω_i) (произведение значений амплитуды и косинуса фазы отфильтрованного сигнала); выдается импульс по выходу управления записью; инкриминируется значение, подаваемое по адресному выходу анализатора l l + 1; на информационный выход выдается в цифровом виде мнимая составляющая спектра на частоте анализа S^s(ω_i) (произведение значений амплитуды и синуса фазы отфильтрованного сигнала); выдается импульс по выходу управления записью; инкриминируется значение, подаваемое по адресному выходу анализатора l l + 1; частота фильтрации увеличивается на заданную величину Δω разрешающей способности анализа (шага) по частоте w_i=ω₁+Δω; полученное значение частоты сравнивается с заданной верхней граничной ω_вр., частотой анализируемого частотного диапазона, если ω_i не превышает ω_вр то осуществляется переход к третьему блока алгоритма, если же ω_i больше ω_вр выдается сигнал по выходу окончания анализа. Таким образом, в результате работы трех цифровых анализаторов спектра через коммутаторы 7 в блоках ОЗУ 8₁, 8₃, 8₅ по последовательным адресам записываются комплексные значения спектров сигналов, измеряемых измерительными преобразователями 5₁, 5₂ и 5₃ соответственно.

После завершения спектрального анализа в каждом цифровом анализаторе спектра 6 выдается сигнал окончания анализа, эти три сигнала логически умножаются и инвертируются на элементе И-НЕ 14, с которого "0" поступает на второй вход элемента И НЕ 28 и в результате на второй вход элемента И 18 выдается "l". Следующий импульс от генератора 17 уже проходит на счетчик 19. При дешифрации второй команды в счетчике 19 с выхода 1 дешифратора 20 поступает сигнал, устанавливающий R S триггер 21 в "l", с выхода которого сигнал подается на управляющие входы коммутатора 15 и переключающие входы трех коммутаторов 7; при этом через коммутатор 15 к исследуемой системе 4 подключается дополнительная динамическая система 16, а также адресные и информационные выходы и выход управления записью трех цифровых анализаторов спектра 6 через коммутаторы 7 подключаются к соответствующим входам второго 8₂, четвертого 8₄ и шестого 8₆ блоков ОЗУ.

Третья команда в счетчике 19 дешифруется и исполняется аналогично первой команде, при этом спектры сигналов заносятся в блоки ОЗУ 8₂, 8₄ и8₆.

В результате дешифрации четвертой команды сигнал с выхода 3 дешифратора 20 поступает на формирователь импульса 22. Импульс с выхода 3 блока управления 12 устанавливает в счетчике 13 первый адрес выборки значений спектра из ОЗУ 3.

По пятой команде на выходе 6 блока управления 12 выдается сигнал выборки кристалла, поступающий на все блоки ОЗУ 8. Одновременно выдается сигнал с выхода 4 дешифратора 20. Он преобразуется на формирователе 23 в импульс, который с задержкой на элементе 24 поступает на тактовые входы всех универсальных регистров сдвига 9. Таким образом происходит параллельная загрузка значений из ячеек шести блоков ОЗУ 8 с адресом, установленным в счетчике 13 (в данном случае из ячеек с адресом единица) в соответствующие шесть универсальных регистров сдвига 9.

По шестой команде сигнал с выхода 7 блока управления 12 переводит универсальные регистры сдвига 9 в режим регистров сдвига влево (от младшего к старшему разряду в регистре), а сигнал с выхода 4, преобразованный в импульс на формирователе 23, с задержкой на элементе 24 поступает на тактовые входы регистров 9. При этом информация в регистрах сдвига 9 сдвигается на 1 разряд влево.

Последующие (m-1) команд дешифруются аналогично шестой команде; таким образом значения действительных частей S^c спектров сигналов на частоте анализа сдвигаются на m позиций влево в регистрах 9 (где m разрядность представления данных).

Следующие две команды дешифруются аналогично четвертой и пятой: при этом производится выборка по второму адресу значений мнимых частей S^s спектров сигналов на начальной частоте анализа и их параллельная загрузка в младших разрядов универсальных регистров сдвига 9.

Последующие 12m команд дешифруются аналогично шестой команде; при этом производится последовательная загрузка в регистр ввода информации блока решения систем линейных алгебраических уравнений 10 содержимого всех регистров сдвига 9 в порядке 9₅, 9₃, 9₆, 9₄, 9₁ и 9₂. Этот порядок введения исходных данных в блок 10 соответствует подготовке блока 10 к решению системы линейных алгебраических уравнений:

где

квадратная комплексная матрица коэффициентов из спектров сигналов, измеряемых на входе каждого из идентифицируемых звеньев, которая вводится в блок 10 по строкам;

комплексная матрица столбец свободных членов из спектров сигналов, являющихся суммой выходных сигналов идентифицируемых звеньев, который вводится в блок 10 за матрицей коэффициентов;
S_ik(jω) значение спектра сигнала k-й переменной системы 4 при эксперименте без дополнительной динамической системы 16 (i 1) и с ней (i 2);
ω=ω_i частота, на которой определены значения спектров всех сигналов и определяются значения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ (в данном случае начальная частота спектрального анализа ω=ω_н).

Следующие шесть команд дешифруются одинаково: с выхода 5 блока управления 12 импульс, полученный с помощью формирователя 25, поступает на тактовый вход блока решения систем линейных уравнений 10. В результате за шесть тактов комплексные значения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ вычисляются из вышеприведенной системы уравнений и параллельно выводятся на регистриpующий блок 11.

Команды, начиная с четвертой, реализуют алгоритм выборки значений спектра на частоте, порядковый номер которой задается в счетчике 13, и получение АФЧХ звеньев W₁ и W₄ на этой частоте. Поэтому следующие далее команды дешифруются как эти (13m + 10) команды последовательно к раз с тем, чтобы обеспечить определения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ в заданном диапазоне частот
Последняя команда дешифруется в виде сигнала на выходе 9 дешифратора 20, который поступает на генератор импульсов 17 и выключает его. На этом работа устройства заканчивается.

Количество К значений в спектрах сигналов при заданных для анализа конкретной исследуемой динамической системы 4 разрешающей способности по частоте 4ω и верхней w_вр и нижней ω_н границах анализируемого частотного диапазона определяется

Частоты анализа задаются с равномерным шагом Δω

Число К определяет емкость блоков ОЗУ 8, которая должна быть равна для каждого ОЗУ 2К ячеек по m разрядов.

В качестве измерительных преобразователей 5 могут быть использованы датчики механических величин любых известных типов, выбор которых определяется физической природой измеряемых переменных. Это не относится к генератору сигналов (тестовых) 1, дополнительной динамической системе 16 и коммутатору 15. На дополнительную динамическую систему накладывается лишь то ограничение, что ее коэффициент ослабления должен обеспечивать на выходе системы сигнал соизмеримой с входным сигналом в исследуемом частотном диапазоне. В частности в случае исследования динамических систем станков (для идентификации моделей которых предполагается использовать заявляемое устройство) входным сигналов в исследуемую динамическую систему 4 в большинстве случаев является внешняя сила, а измеряемыми переменными перемещения отдельных узлов станка. Таким образом в качестве вибратора 3 может использоваться электромагнитный вибратор, а измерительные преобразователи 5 могут быть вибродатчиками. Блок решения систем линейных уравнений 10 реализуется аналогично устройству для решения систем линейных алгебраических уравнений (авт. св. N 1325508 СССР, Б. И. 1987, N 27). Блоки ОЗУ 8 могут быть реализованы на основе микросхем К155РУ2 или им подобным, а универсальные регистры сдвига на микросхемах К155ИР11. При этом, если разрядность представления данных каждой составляющей спектра равна m, то разрядность блоков ОЗУ 8 также равна m, а разрядность каждого универсального регистра сдвига 9 должна равняться 2 m.

Например, если исследуется динамическая система редуктора, в которой переменными системы являются крутящий момент на входном валу и угловые положения входного и выходного вала, а определить необходимо АФЧХ звеньев, связывающих эти переменные, элементы устройства имеют следующее исполнение. В качестве вибратора 3 используется преобразователь крутящего момента, подключаемый ко входному валу редуктора. Измерительные преобразователи 5 реализуются в виде датчика крутящего момента и двух датчиков угла, подключаемых к обоим валам редуктора. Дополнительная динамическая система 16 реализуется в виде механической колебательной системы, представляющей собой маховик, подключаемый через коммутатор 15 к выходному валу редуктора. При этом коммутатору 15 соответствует электромагнитная муфта. Подключение механической колебательной системы к выходному валу редуктора соответствует динамическому звену со входом и выходом, подсоединяемыми к переменной углового положения вала в модели исследуемой динамической системы. Предлагаемое устройство, функционируя как описано выше, определяет АФЧХ звеньев, входами которых являются угловое положение выходного вала и входной крутящий момент, а суммарным выходом положение входного вала редуктора.

В общем случае число звеньев исследуемой системы, имеющих суммарную выходную переменную, определяет необходимое число дополнительных систем, через соответствующие коммутаторы, подключаемые ко входам этих звеньев, а также размерность решаемого матричного уравнения.

Изобретение позволяет расширить класс идентифицируемых динамических систем, то есть определять амплитудно-фазовые частотные характеристики систем, у которых невозможно подавать тестовые воздействия по всем необходимым для идентификации переменным системы, что расширяет функциональные возможности устройства.

Изобретение относится к автоматике, а именно: к экспериментальному определению частотных характеристик динамических систем, и может быть использовано для определения АФЧХ систем с обратными связями, например, станочных систем в условиях их нормальной эксплуатации, контроля или экспериментального исследования. Изобретение позволяет проводить определение АФЧХ звеньев динамических систем, имеющих суммарную выходную переменную, у которых невозможна подача тестового воздействия по всем необходимым для идентификации переменным системы, путем введения дополнительной динамической системы 16 через коммутатор 15. Для этого устройство содержит генератор тестовых сигналов 1, через усилитель мощности 2 питающий вибратор 3, выход которого подключается ко входу первого индентифицируемого звена исследуемой динамической системы 4. Переменные системы на входах и суммарном выходе идентифицируемых звеньев системы 4 измеряются преобразователями 5, связанными с цифровыми анализаторами спектра 6, через коммутаторы 7, имеющими выход попарно на шесть блоков ОЗУ 8, адресные входы считывания которых подключены к счетчику 13, а информационные входы - к соответствующим шести универсальным регистрам сдвига 9, последовательные выходы которых связаны между собой и информационным входом блока решения системы линейных уравнений 10, в свою очередь, имеющего выход на регистрирующий блок 11. Элементы устройства подключены к блоку управления 12, в соответствии с алгоритмом функционирования которого в блоках ОЗУ 8 осуществляется сбор информации о спектральном составе измеряемых переменных исследуемой системы 4 при возбуждении без дополнительной динамической системы 16 и при ее подключении к входу второго идентифицируемого звена. Из составленных на основании этой информации систем линейных уравнений для всех анализируемых частот определяются АФЧХ идентифицируемых звеньев системы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем, содержащее последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибратор и исследуемую динамическую систему, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, первый коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок, отличающееся тем, что в него введены три цифровых анализатора спектра, второй, третий и четвертый коммутаторы, шесть блоков ОЗУ, шесть регистров сдвига, элемент И НЕ, счетчик, блок управления и дополнительная динамическая система, при этом первый выход блока управления подключен к входам всех коммутаторов, второй выход к управляющим входам цифровых анализаторов спектра, третий выход блока управления через счетчик соединен с адресными входами шести блоков ОЗУ, четвертый выход блока управления подключен к тактовым входам шести регистров сдвига, пятый выход блока управления к тактовому входу блока решения системы линейных алгебраических уравнений, шестой выход блока управления к входам шести блоков ОЗУ, седьмой выход блока управления соединен с входами выбора режима работы всех регистров сдвига, цифровые анализаторы спектра включены между выходами второго, третьего и четвертого коммутаторов, выходы которых попарно подключены к входам блоков ОЗУ, выходы которых подключены к параллельным входам шести регистров сдвига, выход второго регистра сдвига через последовательно соединенные первый, четвертый, шестой, третий и пятый регистры сдвига соединен с первым информационным входом блока решения системы линейных алгебраических уравнений, второй информационный вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, вход блока управления через элемент И НЕ подсоединен к выходам цифровых анализаторов спектра, а первый коммутатор включен между исследуемой динамической системой и дополнительной динамической системой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит счетчик с дешифратором, семь выходов которого являются выходами блока управления, восьмой выход дешифратора через последовательно соединенные второй элемент задержки и первый элемент И подключен к одному из входов второго элемента И, девятый выход дешифратора через последовательно соединенные генератор импульсов и второй элемент И подключен ко входу счетчика, при этом первый выход дешифратора подключен к RS триггеру, третий и пятый выходы к первому и третьему формирователям импульсов, четвертый выход к последовательно соединенным второму формирователю импульсов и первому элементу задержки, а вход блока управления соединен со вторым входом первого элемента И.