Устройство для определения частотных характеристик линейных систем регулирования Советский патент 1979 года по МПК G05B23/02 

1

Изобретение относится к обласги ав- гоматического управления и регуляровання и можег быть использовано для экспериментального исследования динамичес1сих характеристик систем автоматического управления (САУ).

Известно устройство-для определения частотных характеристик линейных систем регулирования, содержащее несколько линейных вибраторов, входы которых соединены с выходом объекта, а выходыс блоком индикации. Оно содержит также генератор полигармонических колебаний, подключенный к входу объекта ГГ .

Эго устройство отличается сложностью реализаций линейных вибраторов и Их яаладкй.

Известно также устройство для измерения и наблюдения частотных характеристик, содержащее генератор входных сигналов, дифференцирукицую цепь с диодами, ключи, активные фильтры и суммагоры, а также ксж мутагор, причем первый канал коммутатора подключен к сумматору формирования вещественной частотной характеристики, а остальные через ключи, связанные также с выходом объекта, подключены к соответствуют им активным фильтрам, первые выходы которых через свои ключи соединены с упомянутым сумматором, а вторые выходы через те же ключи соединены с сумматором формирования мнимой частотной характеристики, при этом вход объекта через свой ключ связан с генератором входных сигналов, другой вход которого через дифференцирующую цепь связан с диодом и через ключ подключен к управляющему входу коммутатора 21 . Однако использование этого устройства для снятия амплитудно-фазовых характеристик затруднительно из-за чувствительности к помехам, при этом необходимо через дискретные промежутки времени определять значения координат выходного сигнала. Так как выходной сигнал будет искажен дейсгвием помех, то координаты будут определяться с ошибкой, что повлялег на гочносгь в определении амппигудно фазовой харакгернсгикн сисгемы.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является усгройсУво imsi. определений частотных харакгернсгик сйсгем регулирования, содержащее задаюшяй блок, генератор колебаний, блок сравнения, первый блок умножителейг., соогвегсгвующие входы которого соединеньг с выходами генератора колебаний, интеграторов и сумматоров, блок Масштабирования, регистрирующий блок, и генератор экспоненциальных функций з

Это устройство имеет низкую точност определения амплитудно-фазовой характеристики промышленных систем регулирования, так как при дифференцировавик импульсной переходной функции возрастает спектральная плоскость мощности промышленных помех, которая искажает результаты обработки, а также длительность времени обработки,

Время обработки связано не только с длительностью процесса определения час тогных характеристик контролируемой системы, яо и, это главное, с длительно- сгью временя анализа уже измеренной частотной характеристики. Действительно, после определвЕ1ИЯ частотной характеристики ее следует нанести на диаграмму равного значения показателя колебательности М и определить его значение, а затем уже судить о динамических свойствах системы.

Аналогичный процесс происходит и при оценке быстродействия: следует найти частоты среза системы, а затем уже оценить быстродействие.

С помощью комплексно-частотных характеристик процесс оценки показатели колабагельносги и быстродействия сокращается Дейсгвигепьно, предположим, что мы определяем комплексно-частогную характеристику при изменении параметра , по прямой, проведенной под -45 к дей ствигельной оси, и система оказалась устойчива. Это значит, что корни характеристического уравнения находятся слева от этой npssMofl Следовательно, можно с помощью комплексно-частотных характеристик оценить коэффициент демпфирования.

Предположим, что необходимо определить комплексно-частотные характеристнкн при изменения параметра вдоль прямой параллепь юй мнимой оси, и система оказалась устойчивой. Следовательно эти характерисгики позволяют определить запас устойчивости.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональ

5 ных возможностей устройства

Достигается это тем, что устройство содержит второй блок умножителей и блок масштабирования, выходы которого подключены к соответсгвукдним рходам

О первого и второго блоков сумматоров, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго блоков интеграторов, выход задающего блока связан с первым входом блока сравнения

5 и первым входом третьего блока сумматоров, к другим входам которого подключены соответствующие выходы первого блока интеграторов, второй вход блока сравнения подключен к входу устройства, выход связан с первым входом второго блока умножителей, к другим входам которого подключены соответсгвуюише выходы генератора экспоненциальных функций, выходы второго блока умножителей соединены с соответствующими входами первого блока умножителейр выходы которого связаны с соответствующими входами блока масштабирования, а входы регистрирующего блока соединены с соответсгвуклцими выходами второго блока интеграторов и третьего блока сумматоров.

В теории автоматического регулироЗЗвания при исследовании линейных систем для определения показателя колебательности, запаса устойчивости по модулю и фазе, а также для построения корневых годографов возникает необходимость в

О определении комплексно-частотных характеристик, т.е. характеристик, у которых ,в качестве аргумента используется комплексная переменная . При построении обычных амплигудно-фазовых

5 характеристик в качестве аргумента используется только мнимая составляющая комплексной переменной S р r.e.). Если обратиться к геометрической интерпретации этого положения, то обычный частотный анализ основан на отображении только мнимой оси (амплитудно-фазовая характеристика), а комплексночастотный анализ основан на отображении .всей комплексной плоскости. Г1ри эк спериментальном определения амплнтуцно-фазовой характеристики на вход системы следует подавать синусоидальные колебания, а при определении комплексно-часготкых характеристик на вход системы следует подавать расходящиеся или загухающиеся колебания.

При снятии обычных амплитудно-фазовых частотных характеристик, т.е. при подаче на вход незатухающих гармонических колебаний, отделение вынужденных колебаний от собственных производится за счет ожидания, длительность которого достаточна для затухания собственны колебаний.

Совершенно очевидно, что при подаяе на вход затухающих или расходящихся гармонических колебаний такой метод физически не приемлем.

Устройство основано- на связи между комплексно-частотной характеристикой и импульсной переходной характеристикой линейной системы автомагического регулирования К {i ):

w(sHjK(i)e dt :jK{t)

°о

Задавая одновременно или последовательно значения ряда частот сО и коэффициентов затухания об , по этому выражению можно определить одновременно или послецовательно дискретные значения комплексно-частотной характеристики исследуемой системы для определенных радиальных прямых плоскости S с6 + ().

Для снятия импульсной переходной характеристики системы необходимо формирование S функции, что затруднительно. Целесообразно перейти к переходной функции h ). снимаемой при единичном ступенчатом воздействии.

Для этого проинтегрируем выражение (1) по част$гм1

dU«-Se® dt c3Y Kltldt 7 h(t)-h(oo)

w(s)b{t)-h(co)((co h(Qo)(a))-h(i),

Учитывая, что

e- -f-josie - cos cot+ sin cot

ОЙ

W(c6+jwbh(co)(oo)-hlt1 -(oL-coscoi-f

o

J35 пcot -joacoб6эt-joGsinыl)e d-fc. Ho W(oi + ju)ReW(ot + (.3)) jo).

отсюда

(o(, + jW).h((oo)-h(

(QicosGJi U36ir c i) .((-НВД()1o .

-Gocosa)t) dt.

Ha чертеже представлена функциональная сгема устройства. Она содержит исследуемую систему 1, Эйдающйй блок 2, блок сравнения 3, умножители 4, генератор колебаний 5, интеграторы 6, первый блок умножителей 7, регистрирующий блок 8, перрый блок сумматоров 9, генератор экспоненциальных функций Ю, блок умножителей а, масштабные ячейки 12 н ISji сумматоры 14, объединенные в блоки сумматоров второй 15 и третий 16, блоки. интеграторов первый 17, второй 18, блок масштабирования 19.

В качестве задающего блока 2 может использоваться любой регулирующий источник постоянного напряжения, в каче5стве блока сравнения 3 - операцконный усилитель на два входа. В качестве умножителя 4, генератора колебаний 5, интеграторов 6, блока регистрации 8, сумматоров 14, масштабных ячеек 12 и 13 могут использоваться обычные стандартные элементы аналоговой или дискретной техники.

Генератор эксг.оненциаяьных функций может быть выполнен, в частности, на

S f C-иепочках.

Устройство работает следующим образом.

Первый режим - масштабирование калибровки. На вход исследуемой системы 1 подают ступенчатое Еоздейсгвие. В установившемся режиме происходит изменение оператором выходного сигнала задающего блока 2 до тек пор пока на выходе блока сравнения 3 не получится нулевой сигнал. При масштабировании выходы блока сравнения 3 и задающего блока 2 отключены от блоков устройства,

Второй режим - измерение В этом режиме на вход системы подается тот же ступенчатый сигнал, чго н при калибровке, а выход блока сравнения 3 и задак шего блока 2 подсоединяются к остальной части устройства. При подаче на вход исследуемой системы 1 ступенчатого воздействия с выхода задагацего блока 2 подает ся величина установившегося значения h(oo), а с выхода блока сравнения 3 сигнал, равный разности ,h (Xj)- h (& )i Ha выходах блока yt.iHDжигелей 11 получаются сигналы,равные произведению 17(00 ) - h ( t )Je° . Эги сигналы подаются на входы умножителей 4, На выходах блока умножителей 7 получаются сигналы, равные проиаведе °л f ьИеЬВДе ° % п(0-,1и HM hliQ-e costOjt. Эти сигналы поступают на входы масштабных ячеек 12 и 13, где они умножаются на постоянные коэффициенты oil г; Коэффициенту CG задаются оператором и соогвегствуют параметрам определяемой комплексно-частотной характеристики. Полученные сигналы поступают на входы блоков сумматоров 15 и 16 и далее на входы блоков интеграторов 17 и 18. На выходе блока интеграторов 18 таким образом формируются сигналы (DL,ii60ii JthH-hit) .it)(t,, регистрируемые блоком регистрации 8. На выходах блока интеграторов 17 фо мируется сигнал (i)(GC coscx3 t i- 0 sinG3-t)e(}t, На выходах блока сумматоров 9 появляется сигнал Kew{o6 fic«))h{co)(op)-h|t)x x(ocjcosu)j-t4.)t)... Пре/щагаемое устройство позволяет производить вычнсление; комплексно-частотных характеристик в отличие от ранее известных устройств позволяющих производить вычисления лишь амплитудном - зовых характерисгикй)( j СО ), являюшихся частным случаем коМйлексно«-частаг- них характеристик ( при об 0). Оно легко реализуется на стандартных блоках Применение этого устройства позволагг экспериментально определить комплексночастогные характеристики. С помощью этих характеристик можно определить по ;казатепи колебательности, запас устойчивосги по фазе и амплитуде, расположения ближайших к мнимой оси корней характеристического уравнения. Эта информация значительно сократит время наладочных работ, а в действующих системах регулирования позволит за короткий срок добиться функционирования этих-систем в оптимальном режиме. Формула изобретения Устройство для определения частотных характеристик линейных систем регулирования, содержащее задакяций блок, генератор колебаний, блок сравнения, первый блок умножителей, соответствующие входы которого соединены с выходами гег;ератора колеб1аний, блоки интеграторов и сумматоров, блок масштабирования, регистрирующий блок, и генератор экспоненциальных функций, отличающ вес я тем,.что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит второй блок умножителей и блок масштабирования, выходы которого подключены к соответствующим входам первого и второго блоков сумматоров, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго блоков интеграторов, выход задающего блока связан -с первым входом блока сравнения и первым входом третьего блока сумматоров, к другим входам которого подключены соответст- вукшие выходы первого блока интеграторов, второй вход блока сравнения подклк .чен к входу устройства, выход связан с первым входом второго блока умножителей, к другим входам которого подключены соответствующие выходы генератора экспоненциальных функций, выходы второго блока умножителей соединены с соответствующими входами первого блока умножителей, выходы которого связаны с соответствующими входами блока масштабирования, а входы регистрируклцего блока соединены с соответствующими выходами второго блока интеграторов я третьего блока сумматоров. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 307390, М. Кл q 05 В 23/О2, 01.04.70. 2.Авторское свидетельство СССР № 287160, М. Кл .G 05 В 23/02, 11,06.69. 3. Авторское свидетельство СССР № 375628, М. Кп2 q 05 В 23/О2. 19.10.70.