Устройство для измерения динамических характеристик Советский патент 1985 года по МПК G05B23/02 

мационными входами ключей, первой группы, выходы которых соединены с первыми входами делителей группы, вторые входы которых соединены с выходом цифроаналоговых преобразователя, а выходы - с информационными входами аналого-цифровых преобразователей группы, выходы которых соединены с информационными входами ключей второй группы, выходы которых являются группой выходов коррелятора. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анализатор спектра содержит узел постоянной памяти, умножители второй и третьей групп, сумматоры первой и второй групп, сумматор, узлы оперативной памяти первой и второй групп, узел оперативной памяти, элементы И первой и второй групп, элемент И, причем первые входы умножителей второй и третьей групп, сумматора вторые входы элементов И первой и второй групп, элемента И, адресный вход узла постоянной памяти, тактирующие входы и вход сброса узлов оперативной памяти первой и второй групп, узла оперативной памяти являются входами информационным, счетным, адресным, тактирующим и сброса анализатора спектра соответственно, выходы первой и второй групп узла постоянной памяти соединены с вторыми входами умножителей второй и третьей групп соответственно, выходы умножителей второй и третьей групп соединены с первыми входами сумматоров первой и второй групп соответственно, вторые входы сумматоров первой и второй групп соединены с выходами узлов оперативной памяти первой и второй групп соответственно, а выходы - с информационными входами узлов оперативной памяти первой и второй групп и первыми входами элементов И первой и второй групп, второй вход сумматора соединен с

выходом узла оперативной памяти, а выход - с информационным входом узла оперативной памяти и вторым входом элемента И, выход которого и выходы элементов И первой и второй групп являются информационным выходом анализатора спектра.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит ключ, формирователь импульсов, первый и второй триггеры, генератор импульсов, первый и второй счетчики, одновибратор, элемент И, причем входы ключа, одновибратора, данных первого триггера соединены с шиной положительного потенциала устройства, выход одновибратора соединен с входами сброса первого и второго триггеров, первого и второго счетчиков и является шестым выходом блока управления, выход ключа соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом синхронизации первого триггера, выход которого соединен с входом генератора импульсов, первый выход которого является третьим выходом блока управления, второй выход - его пятым выходом и соединен со счетным входом первого счетчика, третий выход- первым выходом блока управления и соединен -с входом данных второго триггера и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго триггера, вход синхронизации которого соединен с выходом переполнения первого счетчика, выход данных которого является первой группой выходов, а выход переполнения - четвертым выходом блока управления, выход элемента И соединен со счетным входом второго счетчика, выход данных которого является второй группой выходов, а выход переполнения - вторым выходом блока управления соответственно.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащее блок управления, анализатор спектра, блок постоянной памяти, блок регистрации и коррелятор, первый информационный вход которого является первым информационным входом устройства, а информационный выход соединен с информационным входом анализатора спектра, тактовый вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с входом «Чтение блока постоянной памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит сумматор по модулю два, аналоговый Сумматор, вычислитель и регистр сдвига, третий выход блока управления объединен с выходом сумматора по модулю два и подключен к информационному и тактовому входам регистра сдвига, выход второго разряда которого соединен с одним входом сумматора по модулю два, выход третьего разряда - с другим входом сумматора по модулю два, с первым выходом аналогового сумматора и с вторым информационным входом коррелятора, второй вход и выход аналогового сумматора являются вторым информационным входом и выходом устройства соответственно, четвертый и пятый выходы блока управления соединены с первым и вторым стробирующими входами коррелятора соответственно, а шестой - с входами сброса регистра сдвига, коррелятора, анализатора спектра и вычислителя, выходы которого подключены к входам блока регистрации, второй выход блока управления соединен с входом «Пуск вычислителя и входом считывания анализатора спектра выходы которого подключены к первым информационным входам вычислителя, вторые информационные входы которого соединены с выходами блока постоянной памяти, первая и вторая группы выходов блока управления подключены к входам первой группы коррелятора и объединенным входам второй группы коррелятора и адресным входам анализатора спектра соответственно. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коррелятор содержит первый и второй усилители, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, регистры группы, цифроаналоговые преобраi зователи группы, умножители первой группы, ключи первой группы, делители группы, ана(Л лого-цифровые преобразователи группы, ключи второй группы, причем входы первого и второго усилителей, тактирующие входы аналого-цифрового преобразователя, аналого-цифровых преобразователей группы, регистров группы, входы сбросов регистров группы, управляющие входы ключей первой группы, группа входов цифро-аналогового 05 преобразователя, управляющие входы клю00 чей второй группы являются вторым и первым информационным, вторым стробио рующим, сброса, первым дтробирующим, первой и второй группами входов корреN3 лятора соответственно, выход первого усилителя соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом первого регистра регистров группы, информационный выход которого и информационные входы и выходы других регистров группы соответственно соединены и подключены к входам цифроаналоговых преобразователей группы, выходы которых соединены с первыми входами умножителей первой группы, вторые входы которых соединень с выходо.м второго усилителя, а выходы - с инфор

1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для определения частотных характеристик динамических объектов и систем.

Цель изобретения - повышение точности устройства.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - коррелятор; на фиг. 3 - анализатор спектра; на фиг. 4 - блок управления.

Устройство (фиг. 1) содержит коррелятор 1, блок 2 управления, анализатор 3 спектра, блок 4 постоянной памяти, блок 5 регистрации, регистр 6 сдвига, сумматор 7

по модулю два, аналоговый сумматор 8, вычислитель 9.

Коррелятор (фиг. 2) содержит первый 10 и второй 11 усилители, АЦП 12, ЦАП 13, регистры 14 группы, ЦАП 15 группы, умножители 16 группы, ключи 17 первой группы, делители 18 группы, АЦП 19 группы, ключи 20 второй группы.

Анализатор спектра (фиг. 3) содержит узел 21 постоянной памяти, умножители 22 и 23, второй и третьей групп, сумматоры 24 и 25 первой и второй групп, сумматор 26, узлы 27 и 28 оперативной памяти первой и второй групп, узел 29 оперативной памяти, элементы И 30 и 31 первой и второй групп, элемент И 32.

Блок управления (фиг. 4) содержит ключ 33, формирователь 34 импульсов, первый 35 и второй 36 триггеры, генератор 37 импульсов, первый 38 и второй 39 счетчики, одновибратор 40 и элемент И 41. Устройство (фиг. 1) содержит также объект 42 контроля.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания на блоке 2 управления положительный потенциал поступает на одновибратор 40, который вырабатывает одиночный импульс, приводящий в исходное состояние все блоки и узлы устройства, и на вход данных первого триггера 35. После замыкания ключа 33 блока 2 управления положительный потенци;1Л через формирователь 34 импульсов поступает на вход синхронизации первого триггера 35, который синхронизирует работу устройства и управляет работой генератора 37 импульсов. Последний имеет три выхода, первый из которых является третьим выходом блока 2 управления, второй - его пятым выходом,- трети - его первым выходом. Самая ч1Лч.о:;ая частота следования импульсов снимается с пятого выхода блока управления, самая низкая - с третьего, но все частоты жестко связаны между собой. Импульсы с третьего выхода блока 2 управления поступают на тактовый и информационный входы регистра 6 сдвига, второй и третий разрядные выходы которого через сумматор 7 но модулю два замыкаются на вход регистра 6 сдвига. На выходе регистра 6 сдвига образуется сигнал псевдослучайной бинарной последовательности (ПСБП), параметры которого Т - длительность импульсов, снимаемый с третьего выхода блока 2 управления, и То - период повторения сигнала, можно изменять, изменяя величину Т. Затем сигнал ПСБП с выхода регистра 6 сдвига поступает на вход аналогового сумматора 8, где складывается с рабочим сигналом x(t), и результирующий сигнал поступает на вход объекта 42 контроля. Одновременно сигнал ПСБП поступает на второй информационный вход коррелятора 1, на первый информационный вход которого поступает реакция объекта 42 контроля от действия двух сигналов - рабочего x(t) и ПСБП Хт(1). Можно добиться некоррелированности сигналов x(t)

и Хт(1).

Некоррелированность с рабочим сигналом обес 1ечивается выбором периода квантования Т и длины ПСБП То, которые определяются длительностью импульсов, задаваемых генератором 37 импульсов. Для линейной системы выходной сигна;| и.меет вид y(t)yp(t) + ут(1), где УР(() и УТ,({) -составляющие выходного сигнала, обусловленные

соответственно рабочим xp(t) и пробным хт(1) сигналами.

Рабочий сигнал Xp(t) задается в узкой полосе частот, а ПСБП имеет более широкий и равномерный спектр, поэтому они коррелированы слабо, а следовательно, и слабо коррелированы сигналы хт(1) и yp(t). Таким образом, между взаимными корреляционными функциями справедливо выражение Rxy(T) RxY(t).

Соотнощение между автокорреляционной функцией ПСБП Rxx(t--т) и взаимной корреляционной функцией Нху(т) выражается в виде интервала свертки.

Rxy()Iw(t) R,x(t-t)dt,(1)

Следовательно, их можно рассматривать соответственно как входной и выходной сигналы проверяемого объекта. Тогда частотные характеристики объекта можно определять, измеряя отношения между их преобразованиями Фурье F{Rxy(T)(jw) Cx((o)-fjBx(to); (2)

f{Rxx(T)(j(o)Cxx(o))+jBxx((o);(3)

W П ш) )-±-ib -

именно Cxx(« -bjB«(H

W(jto)- (4)

где W(j(o) -амплитудно-частотная характеристика системы; Ф((о) - фазочастотная характеристика системы.

Периодичность автокорреляционной функции ПСБП, представляющей собой последовательность треугольных импульсов, линейность ее спектра и отсутствие в нем элементов случайности, является существенным достоинством при реализации частотного метода контроля систем в режиме их нормального функционирования. Это позволяет контролировать исследуемую систему, используя выражения (2) - (4) сразу на многих частотах, раскладывая функции гхх{т) и Rxy(T)B ряд Фурье. Эти функции являются периодическими с периодом То. поэтому заранее известна и совокупность частот, на которых производится контроль системы.

Основная частота fi 1/То, остальные частоты кратны fi, т. е. f,, n-.fi, причем при изменении Т и То меняется и совокупность частот контроля.

Функция RXX(T) четная, поэтому при изложении ее в ряд Фурье она содержит только свободный член и косинусные составляющие

Rxx(T) -fVCxxicosi(o,t

(5)

Эта функция известна заранее, следовательно, заранее известны все ее коэффициенты разложения в ряд Фурье, которые записываются в блок 4 постоянной памяти.

Разложение в ряд Фурье функции Нху(т) содержит свободный член, косинусные составляющие

R;,y(i;) Bivp/2 + f: Cxyicosi Wit + + S: Bxvi.sini (jOii(6)

Используя выражения (1) - (6), получаем

Вхуо /2+ Cxyicosi и)д t+ Bxyisini р(0)+ S Cxxi Pj (i tojcosi «)it +

(7)

+ Q«i( )sini (.

Из выражения (7) следует, что

РО В уо/Ржжо; Pi (i «)j) C y//C«j;

Qi(i «)i) Bsyi/Cxxi;(8)

где Ai(oo) Vp/ (u)i) +

+ Qi(«i); У -arctg Qi() X

(Pi(«)i);(9)

P(0) - значение частотной характеристики на нулевой частоте;

Pi(ia)i) - значение вещественной части частотной характеристики на i-й частоте; Ai(coi) и ф|((0|) - амплитуда и фаза АФЧХ; Qi(ia)i) - значение мнимой части частотной характеристики на i-й частоте.

С выходов регистра 6 сдвига и объекта 42 контроля сигналы поступают на второй и первый- информационные входы коррелятора 1, который работает следующим образом. Усиленный первым усилителем 10 сигнал хт(1) через АЦП 12 поступает на информационный вход первого регистра 14i регистров группы, на второй стробирующий вход коррелятора 1 поступают импульсы с пятого выхода блока 2 управления, управляющие работой АЦП 12, регистров 14 группы и АЦП 19 группы, согласно поступающим импульсам сигнал хт(1) перемещается от первого до последнего регистра регистров 14 группы и преобразованный ЦАП 15 группы поступает на первые выходы умножителей 16 группы, на вторые выходы которых поступает реакция объекта 42 контроля, усиленная усилителем 11, на выходах умножителей группы накапливаются значения, равные х, (t-Т )-yi (t).(10)

При срабатывании ключей 17 первой группы от импульса, снимаемого с четвертого выхода блока 2 управления, сигналы с умножителей 16 первой группы поступают на первые входы делителей 18 группы, на вторые входы которых поступают через ЦАП 13 с выходов первой группы блока 2 управления значения интервала .определения взаимнокорреляционной функции Тк. С выходов делителей 18 на информационные входы ключей 20 второй группы через АЦП 19 группы поступают значения взаимнокорреляционной функции Rxy(t-т), равные,, Rxy (t--T)J-Zx (t-т) yi(t).(11)

io

По командам с выходов второй группы блока 2 управления открываются по порядку ключи 20 второй группы, и на информационный выход коррелятора поступают

j значения Rxy; (t-т).

Частота считывания значений Rxyi (t-т) строго зависит от частоты следования импульсов, снимаемых с второго выхода блока 2 управления.

Блок 2 управления работает следующим образом. Импульсы с второго выхода генератора 37 импульсов поступают на счетный вход первого счетчика 38, на выходе данных которого формируется ве.тичина, пропорциональная интервалу длительности TK взаимокорреляционной функции Rxvi(T-t), а с выхода переполнения - четвертого выхода блока управления снимается стробирующий импульс, который управляет работой ключей 17 первой группы, выход переполнения первого счетчика 38 соединен с

входом синхронизации второго триггера 36, вход данных которого соединен с третьим выходом генератора 37 импульсов. Этот выход является тактирующим выходом для анализатора 3 спектра, выход второго триггера 36 соединен с первым входом

5 элемента И 41, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора 37 импульсов, а выход - со счетным входом второго счетчика 39, выходы данных которого являются выходами второй группы блока 2 управления и управляют работой

0 ключей 20 второй группы корррелятора 1 и адресными входами узла 21 постоянной памяти анализатора 3 спектра, а выход . переполнения является вторым выходом блока 2 управления и управляет считыванием информации с анализатора 3 спектра, блока 4 постоянной памяти и пуском вычислителя 9.

Анализатор 3 спектра реализует следую щий алгоритм:

0Bxyo l|:Rxyi(t-S) ;

Cxyi (i и;) Rxyicosi otii At; Bxyi(i u;) RxYiSini («lAt . (12)

5 Так как величина известна.

«

известен интервал At вычисления взаимнокорреляционной функции Rx-,{t-т), то известна и совокупность частот контроля системы, а следовательно, и набор весовых коэффициентов sini- At, cosi-4 At,

которые заранее записываются в узел 21 постоянной памяти анализатора 3 спектра по своим адресам. При поступлении первого импульса с выходов второй группы блока 2 управления на ключ 20i второй группы ключей 20 коррелятора, ключ 20 открывается и первое значение Rxyi поступает на вторые входы умножителей 22 и 23 второй и третьей групп и второй вход сумматора 26, одновременно этот импульс по адресному входу анализатора 3 спектра из узла 21 постоянной памяти вызывает

.

значения sin i и cos i „-At, которые ioJo

поступают на первые входы умножителей 22 и 23 второй и третьей групп, на выходах умножителей появляются значения

частных произведений Rx, sin и R jtf;os i . Цифровые значения частных

произведений поступают на первые входы сумматоров 24 и 25 первой и второй гррупп. Сумматоры соединены своими выходами с входами узлов 27 и 28 оперативной памяти первой и второй групп, выходы которых подключены к вторым входам суммааторов. Узлы оперативной памяти представляют собой наборы разрядных цепочек сдвигающих регистров, что позво-s f

ляет осуществлять цикличное движение сумм частных произведений. При поступлении второго импульса с выходов второй группы блока управления открывается второй ключ 5 второй группы ключей 20 коррелятора 1, и второе значение Rxyzпоступает на умножители 22 и 23 первой и второй групп и сумматор 26, одновременно на первые входы умножителей по адресной команде этого же импульса поступают значения

sin i At и cos i из узла 21 опеTOТо

ративной памяти. Таким образом на выходах сумматоров 24 и 25 первой и второй групп формируются суммы частных произЛ-t„ер

ведений Bxyj У Rxjsin i Сху/ kTO

.SI Rxyicosi- д1, a на выходе сумматоn-i

pa 26 - сумма Вхуо . При поступлении импульса переполнения с второго выхода блока 2 управления на вторые входы элементов И 30 и 31 первой н второй групп и элемента И 32 значения В, Сху, Во поступают в вычислитель 9, одновременно по команде этого же импульса

значения axvj и Cxxj cos i , хранящиеj o o

СЯ в блоке 4 постоянной памяти также поступают в вычислитель 9, который переходит в режим вычисления, реализуя алгоритм выражений (8) и (9), полученные значения Ai(u)i) и ф|(() регистрируются блоком 5 регистрации.

+

0-f{

57

35

-D

- 36

s

tJ

1

J5

2.