Адаптивный вычислитель частотных характеристик систем автоматического управления Советский патент 1984 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам для исследования и контроля систем автоматического управления ССАУ: и предназначено для определения вещественной и мнимой частотных характеристик автоматических систем и их функционсшьных узлов.

Известно устройство для определения вещественной и мнимой частотных характеристик, принцип действия которого основан на измерении мгновенных значений сигнала на выходе исследуемо.го объекта С13 .

Однако определение именно мгновенных значений выходного сигнала, практически всегда сопровождающееся аддитивным включением случайных помех, не позволяет добиться высокой точности идентификации частотных характеристик САУ.

Известно также устройство, использующее компенсационный метод измерения и содержащее фазоинверторы два трехпозиционных ключа, два делителя сумматор, генератор синусоидальных колебаний и индикатор 123,

Однако субъективные действия оператора, направленные на компенсёщию №исодного сигнала САУ в этом устройстве, а также субъективная оценка самого минимума оьшбки компенсации снижают потенциально высокие точностные возможности компенсационного метода и ограничивают быстродействие процесса измерения.

Наиболее близким техническим решевием к изобретению является анали39top частотных характеристик систем ущ авления, содержащий генератор % 111усс д 1льн ах колебаний/ первый вы код KOTOi oro соединен с входными кяеммами вычислителя, подключаемыми « входу исследуемой Системы управления «переый и второй множительные 6JtQKHf первые ВХОДЫ которых подклюя еш2 X лервсму выходу генератора синусоидальных колебаний, третий и четвертью множительные блоки, первые входая которых соединены с BTOE%IM выходом генератора, два индикатора частотных характеристик, первый интегратор подключенный к выходу втсфого множительного блока, а выходом - к второму входу первого множительного бяЬка и к входу первого индикатора, второй интегратор, вход которого соединен с выходом четвертого множительного блока, а выход - с вторым входом третьего множительного блока: и входом второго индикатора, и сумматор, входы кот чрого подк/шчены соответственно к выходам первого и третьего множительных блоков и к входным клеммам вычислителя, подключаемым к выходу исследуемой системы управления .

Недостатком известного устройства являются постоянные значения коэфициентов усиления в цепях подстройки сигналов на вторых входах первого и третьего множительных блоков, предусмотренные в этой схеме, снижающие быстродействие устройства на различных частотах синусоидального воздействия.

Кроме того, отсутствие каких-либ специальных мер, направленных на (Ослабление действия помех, реально всегда присутствующих в выходном .сигнале САУ, ухудшает помехозащищенность получаемых результатов.

Целью изобретения является повышение быстройэйствия и помехоустойчивости адаптивного вычислителя частотых характеристик САУ.

Цель достигается тем, что вычислитель содержит датчик частоты, подключенный входом к первому выходу генератсчза, блок зоны нечувствительности, вход которого соединен с выходом сумматора, и пятый множительный блок, первый вход которого подключен к выходу блока зоны нечувствительности, второй вход соединен с выходсм датчика частоты, а выход с вторыми входами второго и четвертого мнолсительных блоков.

На фиг. 1 приведена структурная схема адаптивного вычислителя частотных характеристик САУ/ на фиг.2 и 3 показаны основн(ле закономерности, выявленные при исследовании известного устройства: влияние эквивалентного коэффициента усиления л В каналах адаптации на быстродействие прибора и зависимость оптимального (по быстродействию) значения этого коэффициента от частоты синусоидального воздействия на САУ.

Устройство содержит двухфазный генератор 1 синусоидальных колебаний , входные клеммы вычислителя 2, пoдключae вJe к входу исследуемой САУ, датчик 3 частоты синусоидальных колебаний, множительные блоки 4-8, интеграторы 9 и 10, сумматор 11, блок 12 зоны нечувствительности, индикаторы 13 и 14, входные кле1Ймы вычислителя 15, подключаемь е к выходу исследуемой САУ.

Принцип действия предлагаемого вычислительного устройства, также как и у известного, основан на ав-г тематической компенсации установившейся реакции на выходе САУ вида

хеых -oiP(a)sinCB)t au(e8)cos art,

Ffle P(sta) и q d)- вещественная и мнимая частотная характеристики,подлежащие определению,возникакяцей при пЬда че на его вход синусоидального йствия asinUt.

Оюябка компенсации Е, получаемая на выходе сумматора 11, может быть записана в виде

XtoN(t)-a sinffl t-(5lco3ttit aCPCteV lslnuai-tuLQKwVulcuSbrt,, М

где Р, Q - значения выходных сигна лов интеграторов 9 и 10.

1Сак видно из выражения (1) тож дественное равенство нулю ошибки компенсации Е возможно при одновре менном выполнении равенств

), 5 Qi««), т.е. значения сигналов F и Q представляют собой в этом случае численные значения вещественной P(wj и мнимой Q() частотных характеристик исследуемой САУ на заданной частоте ( .

Алгоритм настройки параметров Р и Q до обнуляющих сиаибку компенсации Е значений в вычислителе аналогичен алгоритму настройки этих же параметров в прототипе и имеет

ВД r$.Ao,sfn«)tcN:,

|i;k.. t2

Of

JcxoiecosuJt dti,

где - эквивалентный коэффициент усиления 8 1 анапах подстройки параметров Р и Q схемы компенсации выхрдногосигнала САУ.

Проведенные методом цифрового моделирования исследования адаптивного вычислителя частотых характеристик САУ выявили следующие закономерности..

1. Эквивалентный коэф циент уси0ления А- существенно влияет на динамику процессов оценивания частотных характеристик и как следствие на потребное для такой оценки время, т.е. на быстродействие прибора.

5

На фиг. 2 приведены типовые зависимости времени измерения от Ol « указывающие на существование оптимёшьного значения Л OVe , обеспечи0вающего при заданных значениях и минимум времени оценивания.

2. Значение амплитудно-частотной характеристики влияет на 25 быстродействие вы:числителя незначительно i табл. 1, где Tf«| - время измерения).

I. .

Таблица 1

АДАПТИВНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКО1О УПРАВЛЕНИЯ, содержйщий генератор синусоидс1льных колебаний, первый выход которого соединен с входными клеммами вычислителя, подключаемыми к входу исследуемой системы управления, первый и второй множительные блоки, первые вхо;цы которых подключены к первому выходу генератора синусоидальных колебаний. третий и четвертый множительные бло-, ки, первые входы которых соединены со вторым выходом генератора, два индикатора частотных характеристик, первый интегратор, подключенный входом к выходу второго мнозкительного блока, а выходом - ко второму,входу первого множительного блока и к входу первого индикатора, второй интегратор, вход которого соединен с выходом четвертого множительного блока, а выход - со вторым входом третьего множительного блока и входом второго индикатора, и сумматор, входы которого подключены соответственно к выходам первого и третьего множительных блоков и к входным клеймам вычислителя, подключаем к выходу исследуемой системы управл ния, отличающийся тем, что, с целью поььшекия быстродействия и помехоустойчивости вычислитег ля, он содержит датчик частоты, подключенный входом к первому выходу генератора, блок зоны нечувствительэ vl ности, вход которого соединен с выходом сумматора, и пятый множитель ный блок, первый вход которого подto ключен к выходу блока зоны нечувствительности, второй вход соединен э с выходом датчика частоты, а выходсо вторыми входами второго и четверного множительных блоков. 4

3. Оптимальное значение Oie эквивалентного коэффициента усиления практически не зависит от значений фазовой частотной харглтеристики 1ФИГ. 2) и имеет близкую к линейной зависимость от текущих значений час тоты и воздействия (фиг. 3}. Технически закон коррекции Э по частоте вьшолвён в изобретении в ви де множительного бЛока 8, на первый вход которого поступает ошибка компенсации Е, а на второй вход - сигнал с датчика 3 частоты. Автоматическая подстройка параметров Р и скеюл компенсации осуществляется в соответствии с (2) пу тем умножения сигнала с выхода шюяятельного блока В на сигнал и acosut в множительных блоках 4 и б и последующего интегрирования полученных произведений на иитеграторах 9 И 10. В момент полиой ком пенсации сигнала Х«мх ошибка Е становится тождественно равной нулю, тем самым обнуляются сигналы на входах интеграторов 9 и 10 и процес интегрирования на этом заканчивается. Установивишеся значения сигналов и Q на выходах интегратора, зарегистрированные индикаторами 13 и 14, представляют собой численные значения вещественной РА) и мнимой Q(A} частотных характеристик исследуемой САУ. Измерение выходного сигнала САУ, как правило, сопровождается появ;1ением гшдитивной случайной помехи N(t). Входя Далее в ошибку компенсации Е Хк.+ H|t), где Х«е a( + Qcos« t) - сигнал компенсации, эта помеха участвует в настройке параметров Р и Ъ .a6f««c-4«.)8lr(«ftcH /xM(-bJsinu tdl, ||;J3U(xw«- t aA ft jWicoswtoH, случайные колебания показа- НИИ индикаторов 13 и 14 относительно значений Р|в) и ). Эти колебания являются е :тественным источником погрешностей идентификации частотных характеристик, затрудняя . их численное определение. Для ослаблений действия помех в схему устройства введен блок зоны нечувствитель нрсти, препятствующий прохождению ооиехи в каналы подстройки вещественной и мнимой частотных характеристик и тем самам способствующий улучшению помехоза1цищенности прибора. IB табл. 2 приведены значения дясПерсии оценок частотных характерстик до и после введения зоны иечувствительИости в тракт прохождения ошибки К компеисации в кангшы единицы. Результаты получены цифровым моделированием уравнений (3), при А(и) j, а 12, помеха K(t) принята распределенной по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением 0,8 Сотношечие шум/сигнал на выходе САУ тем самым составляет 20%).

б ли да- 2

,4 0,247-10 0,875 IQ- 5

и, I

Гяа.С

t.9

Как видно из табл. , введение . блока зоны нечувствительности в схему адаптивного вычислителя приводит к резкому снижению дисперсий оценок Р и частотных характеристик. .

Анализ результатов моделирования показывает, что предлагаемая коррекция эквивалентного коэффициента усиления позволяет повысить быстродействие адаптивного вычислителя частотных характеристик, а введение в схему блока зоны нечувствительности улучшает его помехозсццищенность.

«|

4f ,«

J9

а

$м.У