Устройство для определения частотных характеристик систем регулирования Советский патент 1980 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано для экспериментального определения частотных характеристик импульсных систем автоматичес кого регулирования. Известно устройство для определения частотных характеристик систем регулирования, которое содержит генератор синусоидальных сигналов, подаваемых на выход исследуемой системы, и регулятор, который, регулируя часто ту и фазу генератора синусоидальных колебаний, поддерживает такую последовательность импульсов, чтобы на выходе системы установи лась периодическая: решетчатая функция. Затем стробируя выходной сигнал и добиваясь его максимума, определяют амплитуду выходного сигнала, а по изменению положения стробирующих импульсов определяют фазу выходног сигнала 1. Недостатки устройства - длительное время анализа, связанное с выводом системы в режи вьшужденных колебаний и с последующим поиском следящей системой экстремальных значений и невысокая точность определения частотных характеристик при наличии помех. Это связано с тем, что амплитуда выходного сигнала определяется путем стробирования ее в соответствующие моменты времени. Помеха, накладываясь на выходной сигнал, искажает его амплитудное значение, что и приводит к невысокой точности определения частотных характеристик. Известно также устройство для определения частотных характеристик систем регулирования, в котором исключена следящая система для поиска экстремальных значений, что увеличирает ее быстродействие (2}. Недостатком устройства - низкая точность определения амплитуд при действии помех, так как в этих технических решениях используется одна и та же идея стробирования выходных сигналов. Наиболее близким техническим решением является устройство для определения частотных характеристик систем регулирования, содержащее последовательно соединенные генератор частоты и генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен ко входу исследуемой системы, последовательно соединенные первый сумматор, первый преобразователь напряжение-частота, первый счетчик и первы регистрирующий блок, последовательно соединенные второй сумматор, второй преобразователь напряжение-частота, второй счетчик и второй регистрирующий блок, и две группы блоков умножения, первые входы которых подключены к выходу генератора частоты, а вторые входы - к выходу исследуемой системы 3. В нем используется метод разложения в ряд Фурье, что обеспечивает помехоустойчивость устройства. Однако это устройство не может использоваться для определения частотных характеристик импульсных систем. Цель изобретения состоит в расширении функдиональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что уст ройство содержит по числу нечетных блоков умножения первой группы инверторы, входы которых соединены с выходами соответствую щих нечетных блоков умножения первой груп пы, выходы - с соответствующими входами первого сумматора, а выходы блоков умножения второй группы связаны с соответствую щими входами второю сумматора, и, кроме того, тем, что блок умножения содержит последовательно соединенные делитель частоты, генератор функщ1й Радемахера и генерато функций Уолща, последовательно соединенные группу ключей, сумматор и ключ, выход которого связан с выходом блока умножения управляющий вход - с выходом задатчика интервала интегрирования, вход которого под ключен к соответствующему выходу генерато функций Радемахера, вход делителя частотЬг соединен с первым входом блока умножения второй вход которого связан с первым входом группы ключей, второй вход которой подключен к выходу генератора функций Уолща. Реализация устройства основана на связи между амплитудно-фазовой характеристикой импульсной системы У(оЗ) и амплитудно-ф зовой характеристикой непрерывной системы W (j со) {iw wfilw ncOf,) ,(1) Пг-СО- где tOf - частота работы импульсного элемента;П - натуральный ряд чисел. Выражение (1), показывает, что амплитудно-фазовая характеристика импульсной систем может быть построена по амплитудно-фазовой характеристике ее непрерывной части. Для 4 этого необходимо правую часть выражения (1) представить в виде ряда (co.nc , (co+Ыn)(042cOn)-...(.2to.,l...(2) и векторно сложить. Члены в правой части выражения (2) представляют собой векторы, проведенные из начала координат комплексной плоскости до точек «(oO + COi), (сд)ч-2оОг,),... (со-СА п1Д -2(0.,.амш1Итудно-фазовой харакеристики непрерывной системы w(jcia).Члены выражениях (1) и (2) следует брать до тех пор, пока вклад последнего слагаемого е сделается достаточно малым. Подадим на вход исследуемой импульсной истемы синусоидальное воздействие определенной частоты и определим действительную и мнимую составляющую вектора амплитуднофазовой характеристики импульсной системы на этой частоте. Мнимую составляющую вектора амплитудно-фазовой характеристики определим разложением выходного сигнала исследуемой системы по синусам для положительныхТ . bBbixi S tdt a /w{jwV о Т (()t()ЬDm/w j(cл), и. г ( . Dni/w i(Wf2Wnll/ и отрицательных значений .J Bbix(s(-Wn)tdt (a) (t)sin(co-2w,,tdt J БЫХ (u)-2cOn)/ ,(4) где Т, Tj . периоды, на которых осуществляются разл жения функции в ря Фурье. Суммируя правые части выражений (3) и (4) с учетом коэффициента пропорциональ ности tOj-j/2 1, получаем проекцию вектора амплитудно-фазовой характеристики импульсн на мннмую ось. Просуммируем левые части выражения (3) и (4): (ioo) i: wli()fi ) (bJtnUnl4dt All J|.n -ooJ m где Г Т - пределы интегрирования, равиые периодам, на которых осуществл ется разложение выходного сигнала в ряд Фурье. Выражение (5) показывает, что для опреде ления одной точки импульсной системы на исследуемой частоте со необходи выходную величину исследуемой системы раз ложить по нестационарному полигармоническому сигналу. Нестационарность заключается том, что периоды интегрирования для каждой частоты разные и, в общем случае, могут быть не кратными основному периоду Т. Действительная составляющая векторов , амплитудно-фазовой характеристики импульсной системы определяется по выражениям, аналогичным выражениям (3), (4) и (5), тол ко во всех формулах следует синусоидальный сигнал заменить иа косинусоидальный. Выражение для определенияRgW lcOHMeeT вид ). Гйо It) Г . cos{co+ncOn)iUt На чертеже представлена функциональная схема устройства, предназначенного для определения амплитудно-фазовых характеристик импульсных систем. Устройство состоит из генератора I частоты, генератора 2 синусоидальных сигналов, исследуемой системы 3, двух групп блоков 4 и 5 умножения. В блоках 4 умножения формируется сигнал для определения мнимой составляющей амплитудно-фазовой характеристики импульсной системы, а в блоках 5 умножения - действительной составляющей- Блоки 4 и 5 умножения состоят из делителя 6 частоты с переменным коэффициентом деления, генератора 7 функций Радемахера, генератора 8 функций Уолша, группы ключей 9, сумматора 10, ключа 11, задатчиков 12 интергала интегрирования. Устройство содержит инвертор , сумматоры 14 и 15, преобразователи 16 и 17 напряжение-частота, счетчики 18 и 19, регистрирующие блоки 20 и 21. Выходы блоков 4 умножения, в которых формируется сигнал для определения мнимой составляющей амплитудно-фазовой характеристики импульсной системы для отрицательного значения аргумента соединены с сумматором 14 через инвертор 13. Устройство работает следующим образом. Первый режим - подготовка устройства к работе. При этом задается частота, например (л) , на которой определяется амплитуднофазовая характеристика импульсной системы и выставляются коэффициенты деления делителей 6 частоты в. блоках 4 и 5 умножения. Причем, для отрицательных значений аргумента выходной сигнал блоков 4 умножения подается на сумматор 14 через инвертор 13. Второй режим - измерение. При этом режиме импульсы с генератора 1 частоты поступают на вход генератора 2 синусоидальных сигналов и входы блоков 4 и 5 умножения, в которых происходит умножение входного сигнала исследуемой систе й 1 на синусоидальные и косинусоидальные сигналы, частоты которых задаются в соответствии с аргументами синусоидальных и косинусоидальных функций в выражениях (5) и (6). Для повыщения точности определения (jw) ))необходимо одновременное выполнение умножения согласно выражений (5) и (6). Это относительно легко выполнить, если синусоидальные и косинусоидальные функции представить в виде функциональных Зависимостей 5inCOt 5I 0(KVV..lt) (7) С05 cot-Г ,.(t) (8) (i О де w (t) - система ортогональных функций, например Уолща; 0|,Ьц - коэффициенты ряда Фурье-Уолта. Как показывают выражения (7) и (8), нусоидальные и косинусоидальные функции ормируются из функций Уолша. Синусоидальая функция формируется на выходе генерара 8 функций Уолша в блоках 4 умножея, а косинусоидальная функция формируется на выходе генераторов 8 функций Уолша, но в блоках 5 умножения. Умножение сигнала с выхода исследуемой системы Х(-Ь) на гармонические функции представлено в следующем виде: XltlsHH cot x((oWoit)4 )... (9) C(t)co5 6ot Klt)boWo(t) . (t)+...,4(t) . . (10) Поскольку функции Уолша принимают значение + 1 или - 1, умножение сигнала с выхода исследуемой системы на синусоидальный сигнал заменяется суммированием X (t ), взятого с соответствующим знаком и весовым козффициентамн а и b , . Суммирование осу ществляется сумматорами 10 с к - входами (где к -число функций Уолша), причем каждый вход подключен к двум ключам из группы аналоговых ключей 9, на аналоговые входы которых подается текущее значение сигнала X(t) и его проИнвертированное значение X(t), а управляющие входы ключей подключены к генератору функций Уолша непосредственно и через логические инверторы. Следует отметить, что реализанлю генератора 2 синусоидальных сигналов можно осущест вить так же, как выполнены блоки 4 и 5 умножения, Отличие состоит лишь в том, что вместо текущего зйачения сигнала X(t) на. аналоговые входы группы ключей 9 подается постоянное напряжение + U и - U которое определяет амплитуду выходного сигнала. Далее сигналы с выходов сумматора 10 поступают через ключ 11, либо на входы сум маторов 14 и 15 непосредственно, либо через инверторы 13, через которые проходят лишь те сигналы, у которых аргумент синусоидальной функции отрицателен. Ключ 11 управляется задатчиком 12 интервала интегрирования, который определяет интервал времени, в тече ние которого происходит умножение сигнала с выхода системы на синусоидальный и косииус оидальные сигналы согласно выражениям (5) и (6); Сигналы с выходов сумматоров 14 и 15 подаются на вход преобразователей 16 и 17 напряжения, далее на счетчики 18 и 19. Инди ция результатов определения мнимой составляющей амплитудно-фазовой характеристики существляется регистрирующим блоком 20, индикация действительной части - регистрирущим блоком 21. Формула изобретения 1.Устройство для определения частотных характеристик систем регулирования, содержащее последовательно соединенные генератор частоты и генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен ко входу исследуемой системы, последовательно соединенные первый сумматор, первый преобразователь напряжение-частота, первый счетчик и первый регистрирующий блок, последовательно соединенные второй сумматор, второй преобразователь напряжение-частота, второй счетчик и второй регистрирующий блок и две группы блоков умножения, первые входы которых подключены к выходу генератора частоты, а вторые входы - к выходу исследуемой системы, отличающееся тем. Что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит по числу нечетных блоков умножения первой группы инверторы, входы которых соединены с выходами соответствующих .нечетных блоков умножения первой группы, выходы - с соответствующими входами первого сумматора, а выходы блоков умножения второй группы связаны с соответствующими входами второго сумматора. 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок умножения содержит последовательно соединенные делитель частоты, генератор функций Радбмахера и генератор функций Уолша, последовательно соединенные группу ключей, сумматор и ключ, выход которого связан с выходом блока умножения, управляющий вход - с выходом задатчика интервала интегрирования, вход которого подключен к соответствующему выходу генератора функций Радемахера, вход делителя частоты соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого связан с первым входом группы ключей, второй вход которой подключен к выходу генератора функций Уолща. Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 166395, кл. G 05 В 23/00, 1964. 2.Авторское свидетельство СССР № 196967, кл. G 05 В 23/00, 1967. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке N 2454270/18-24, кл. G 05 В 23/02, 29.08.77 (прототип).