Устройство для определения амплитуднофазовых характеристик Советский патент 1979 года по МПК G05B23/02 

1

Изобретение относится к области автоматического управления и регулирования и предназначено для экспериментального исследования динамических характеристик линейных систем автоматического управления (САУ).

Контроль работоспособности систем выбор корректирующих устройств .с целью достижения заданных показателей качества, а также настройку параметров регуляторов целесообразно проводить по частотным характеристикам.

Известно устройство для определеНИН амплитудно-фазовых характеристик основанное на вычислении ряда Фурье {. Оно содержит генератор гармонических колебаний ортогональных функций (синусоидальных и косинусоидальных) колебаний, блоки умножения, интеграторы и регисОр. При определени амплитудно-фазовых характеристик эти анализатором система выводится на вынужденных колебаний, выходной сигнал системы-умножается на синусоидальные и косинусоидальные колебания, а затем полученное произведение интегрируется на. периоде. На выходе интеграторов получаются значения вещественной и мнимой составляющих амплитудно-фазовой характеристики.

Недостатками этого устройства являются длительность определения амплитудно-фазовых характеристик, так как ТОЧКИ амплитудно-Фазовой характеристики определяются путем последовательной подачи на вход системы ряда частот, а также сложность аппаратурной реализации.

Известно также устройство для измерения амплитудных и фазовых характеристик элементов и систем автоматического управления, содержащее генератор синусоидальных колебаний, перестраиваемый фазовращатель, сумматор, канал подстройки амплитуды и канал подстройки фазы 2.

Недостатками этого устройства являются длительность времени анализа, так как точки амплитудно-Фазовой характеристики определяются путем последовательной подачи на вход исследуемой системы ряда частот, а также. относительно высокая сложность устройства, особенно его наладка. Последнее объясняется тем, что каналы подстройки фазы и амплитулы содержат нелинейное звено (синхронный детекто и, кроме того, связаны через сумматор, что делает систему многосвязанной и нелинейной. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик, со держащее последовательно соединенные генератор частоты и формирователь частоты и регистрирующих приборов 3.Кроме того оно содержит ли нейные вибраторы,входы которых соеди нены с выходом объектов, а выходы - с блоком индикации.Оно содержит также генератор полигармонических колебаний, подключенный ко входу объекта. / Однако и это устройство имеет недостатки; .... -Повышенная чувствительность линейных вибраторов к действию помех, а следовательно, пониженная, точность -Сложность в аппаратурной реализации, связанная со сложностью реали зации линейных вибраторов и относительно большим количеством преобразо вателей аналог-код. Цель изобретения - повышение точности устройства. Поставленная цель достиг а(этсй тем что оно содержит генератор функций Радемахера, блок дискретно-аналоговы генераторов, сумматор, преобразователь напряжение-частота, задатчик интервала интегрирования, ключ, блок выделения знака, два блока логи ческих элементов, два блока делителей частоты и два блока корреляторов выходы.которых соединены с соответствующими входами блоков регистрирую щих приборов, выход блока выделения знака соединен с первыми входами бло ков логических элементов, другие вхо ды которых связаны с соответствующими выходами генератора функций Радемахера, вход которого соединен с выходом формирователя частоты, а соответствующие выходы подключены ко вхо дам блока дискретно-аналоговых генераторов, выходы которого связаны с соответствующими входами сумматора, вход блока выделения знака соединен со входом преобразователя напряжение-частота, выход которого через ключ связан со входами блоков делителей частоты, выходы которых соединены с первой группой входовсоответ ствующих блоков корреляторов, ко вто рой группе входов которых подключены выходы соответствующих блоков логи чёских .элементов, один из., выходов ге нератора функций Радемахера через за датчик интервала интегрирования связан с управля ющим входом ключа. На чертеже представлена блок-схем устройства-С исследуемой системой. Она содержит генератор частоты 1,формирователь частоты 2 (с переменным коэффициентом деления), генератор функций Радемахера 3, дискретно-ана74логовые генераторы (на функциях Уолша) 4, состоящие из синтезаторов функций Уапша 5 и задатчиков весовых коэффициентов Уолша б, сумматор 7, исследуемую систему 8, преобразовате.ль напряжения-частота 9, блок выделения знака 10, ключ 11, задатчик интервала интегрирования 12, блок логических элементов 13, логические элементы 14, блок логических элементов 15, делители 16, блок делителей частоты 17, релейные кор1эеляторы 18, блок делителей частоты 19, регистрирующие приборы 20, блоки корреляторов 21 и 22, блоки регистрирующих приборов 23 и 24 и блок дискретно-аналоговых генераторов 25. В качестве блока выявления знака выходного сигнала может использоваться нуяь-орган, в качестве задатчика интервала интегрирования 12 используется счетчик самой низкочастотной функции Радемахера, в качестве логического блока используется элемент, выполняющий функцию равнозначность , в качестве релейных корреляторов 18 используются реверсивные счетчики. Таким образом, все перечисленные элементы относятся к стандартным элементам измерительной техники. К ним не предъявляется особых требований. Относительно новыми блоками в данном устройстве является генератор ортогональных функций Радемахера 3 и дискретно-ан логовые генераторы 4. Как известно, функции Радемахера имеют вид правильной прямоугольной кривой-меандра, причем на нормированном интервале укладывается 2 полупериодов этого меандра (1 .1,2 ...). Функции Радемахера являются,нечетными на интервале .задания, поэ.тому их можно считать аналогами sign sinio.-t. При сдвиге функций Радемахера на четверть периода образуется система функций, которые можно считать аналогами signCOSW,; t по отношению к .системе функций sign sinio -t. Из описания функций Радемахера , следует устройство для реализации двух групп функций Радемахера, являющихся аналогами sign ,t и sign cosiOj t частота от формирователя частоты: 2 последовательно делится триггерами пополам (система функций sign sinwjt), каждая получаемая функция Радемахера. сдвигается на четверть периода дискретным фазовращателем (система функций sign cosw,-1) . Дискретно-аналоговый генератор 4 состоит из синтезаторов функций Уолша 5, задатчиков весовых коэффициентов 6. На входы синтезатора функций Уолша 5 подаются соответствующие функции Радемахера, причем частота низшей из них соответствует частота синусоидального сигнала на выходе задатчика весового коэффициента б. Число W функции Уолша и, ооответственнб, число функций Радемахера определяется заданной погрешностью приближения частной суммы ряда Фурье к аппроксимированной (в нашем случае синусоидальной) функции. Функции Уолша суммируются в задатчике коэффициентов 6, к.оторый представляет собой операционный усилитель на W входов. Коэффициент усиления по каждому входу равен коэффициен ту Oj разложения синусоидальной функ ции по ортонормированной системе функций Уолша и определяется как aj )s)fiwt ipff-t )dt ipj(t) - система ортонормированных функций Уолша. Таким образом, на выходах задатчиков весовых коэффициентов 6 имеет п синусоидальных функций с частотами (где К 1,2, . . .h) . На чертеже представлен случай,когда h 4. Сумматор 7 представляет собой например, операционный усилитель, где суммируются все п колебаний и на выходе сумматора 7 получаются полигармонические колебания. Работа устройства состоит в следующем. С генератора (стабильной) частоты 1 импульсы поступают на делитель 2 с перемен ным коэффициентом деления. Зат.ем импульсы поступают на генератор функци Радемахера 3. Генератор 3 имеет две группы выхо дов: выход IfP, являющихся аналогами sign sinwjt и (р+1) f q, являющихся аналогами sign coswjt. Сигналы с выходов 1i р подаются на дискретно-, аналоговые генераторы 4. На выхо;1ах дискретно-аналоговых генераторов 4 появляются гармонические сигналы с частотами 2(о, (где k l,2...h) . Эти сигналы суммируются в сумматоре 7 и на его выходе получаем полигармонические кс1Лебания. Эти колебания подаются на вход исследуемой системы 8, На выходе исследуемой системы 8 после затухания свободных колебаний остаются вынужденные колебания, ам-плитуда и фаза которых определяется «параметрами системы. Преобразователем напряжение-частота 9 выходное напряжение исследуемой системы .преобразуется в частоту, через ключ 11, управляемый задатчиком интервала интегрирования 12, через делители 14 в блоках делителей 17 и 19 импульсы поступают на два блока корреляторов. 21 , 22, каждый из которых управляется соответствующим логическим элементом 14. На первые входы логических блоков 13, 15 поступают сигналы sign y(t), y(t) - сигнал с выхода исследуемой системы, а на торые входы - поступают соответствующие аналоги sign cos 2 w, t (k 1,2 , . . .h) . Ha первые входы логических элементов 14 поступает сигал sign ), а на .вторые входы оступают соответствующие сигналы sign sin (О) t (k l,2,...h). Как звестно, взаимная релейная корреляионная функция входного и выходного сигналов записывается в виде ;()(, (П где x(t) - входной сйгна.п системы, определяемый выражением Xft),iin2 -cj.t (2) y(t) - выходной сигнал системы, определяемый выражением п . y(l)-l:B,sin(2 w.-tttp..) (3) ч.1 1 AJ - амплитуда к-той гармоники входного сигнала; В - амплитуда к-той гармоники выходного сигнала; Ч - фазовый сдвиг на к-той гармоники; Wj - частота низшей гармоники в группе; п - число гармоник в группе, на которых определяется амплитудно-фазовая характеристика. Предположим, что y(t) состоит из первой гармоники плюс четные гармоники. Этого можно добиться, сформировав определенным образом входной сигнал. Используем в качестве sign к (Ь+Т) сигнал sign sin t при t О и сигнал Signsin2 (0,-(2.№-i.--t) °5igrtcos2 liJi,t ,, ,m-i Sin , t - один из с d 1О{ скгнаПоъ составляющий полигармонический сигнал. Разложение sign sin t и sign cos t в ряд Фурье представляет из себя сумму гармоники с частотой ю; t и бесконечного числа нечетных гармоник с частотами (2е- 1) 2 из,- , где е 1,2,.,. Подставим поочередно разложения sign sin , t и sign cos , t в формулу (1), пред-ставить y(t) как сумму h гармоник. Тогда под интегралом в выражении (1) будет стоять произведение двух тригонометрических рядов,у которых в силу ортогональности все слагаемые вида: (2e-l)z.u).tdt; J smfz aijt + 4Jjco8(2e -1) t 0i Рзвны О, кроме rex; у которых час ты 2 uj. и (2е - 1) 2 aj; равны (т.е. при е я 1) . Выражение (1) в этом случае пр мет вид V(m)0)-|A,,Refw(w)J; (t wm/a. mfwri mU , СЗ) где (}w) и (iu)I - дейст тельные и мнимая части амплитудн частотной характеристики системы Из выражений (4) и (5) получаем еИыЙ тI аг . «« И2-2 и 1 3™ ,1 2 ;;;-- Операция умножения y(t) sign sin 2 о, t и интегрирования при рпределений г-, (о) осуществляется блоком корреляторов 22, к рые управляются сигналами с выход блока логических элементов 15. О рация умножения y(t) на sign sin ..|ц t ) и интегрирова ния при определении . Vtr tl2a -(iJ; осуществляется блоком коррелятор 21, ксЗторые управляются сигналам с выходов блока логических элеме 13. Учет множителей в выражениях (7) можно осуществить делителями Значение действительной R-e (W(a) и мнимой ((u)i частей амплиту фазовой характеристики исследуем системы определ яется по покйэани двух блоков регистрирующих прибор 23 и 24. Описанное устройство позволяет высить точность определения ампли но-фазовых характеристик. Формула и,з обретен и я Устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик, содержащее последовательно соединенные генератор частоты, формирователь частоты и блоки регистрирующих приборов ,Ьтличающеес я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит-генератор функций Радемахера, блок дискретно-аналоговых генераторов, сумматор, преобразователь напрях ение-частота , задатчик интервала интегрирования, ключ, блок выделения знака, два блока логических элементов, два блока делителей частоты и два блока корреляторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блоков регистрирующих приборов, выход блока выделения знака соединен с первыми входами блоков логических элементов, другие входы которых связаны с соответствующими выходами генератора функций Радемахера, вход которого соединён с выходом формиров.атейя частоты, а соответствующие выходы подключены ко входам блока дискретноаналоговых генераторов, выходы которог.о связань с соответствующими входами сумматора, вход блока выделения знака соединен со входом преобразователя напряжение-частота, выход которого через ключ связан со входами блоков делителей частоты, выходы которых соединены с первой группой входов соответствующих блоков корреляторов, ко второй группе входов которых подключены выходы соответствующих блоков логических элементов,один из выходов генератора функций Радемахера через задатчик интервала интегрирования связан с управляющим входом ключа. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1.Вавилов А. А., Солодовников А, И. Экспериментгшьное определение частотных характеристик автоматических систем, М-Л,,Госэнергоиздат, 1963. 2.Авторское свидетельство СССР № 446035, кл. G 05 В 23/02,23.11.72. 3.Авторское свидетельство СССР № 307390, кл. G 05 В 23/02,01.04.7р. Г9 П 21