Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического управления Советский патент 1981 года по МПК G05B23/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО

1

Изобретение относится к техническим средствам исследования и контроля систем автоматического управления и предназначено для анализа динамических свойств промьаиленных систем автоматики и их элементов.

По основному авт.св. № 758079 известно устройство определения ампли-. тудно-фазовых частотных характеристик (АФЧХ) систем автоматического управления, работа которого основана на регистрации с помощью шлейфного осциллографа установившихся синусоидальных колебаний на входе и выходе исследуемого объекта 1.

Однако для этого устройства характерна большая трудоемкость обработки полученных записей колебаний и необходимость в дополнительных вычислениях по ним.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство для измерения амплитудных и фазовьах частотных характеристик элементов и систем автоматического управления, содержащее генератор синусоидальных колебаний, выход которого соединен с первым входом фазовращателя и входом исследуемого объекта, последовательно соединенные УПРАВЛЕНИЯ

первый синхронный детектор, интегратор и первый блок умножения, соответствующий вход которого соединен с первым выходом фазовращателя, выход связан с одним, а выход исследуемого объекта - с другим входом сумматора, второй синхронный детектор, первый вход которого соединен со вторым выходом фазовращателя, выход связан

10 через второй интегратор со вторым входом фазовращателя и входом индикатора фазочастотной характеристики, а выход первого интегратора подключен ко входу индикатора амплитудно15частотной характеристики. Кроме того, устройство содержит датчик частоты и последовательно соединенные блок зоны нечувствительности, блок коррекции коэффициента усиления и

20 второй блок умножения, причем первый вход первого синхронного детектора подключен к первому выходу фазовращателя, управляющий вход блока коррекции коэффициента усиления под25ключен к выходу первого интегратора, вход датчика частоты связан с выходом генератора синусоидальных колебаний, выход - с соответствующим входом второго блока умножения, вы30ход которого подключен ко вторым входам первого и второго синхронных детекторов, а вход блока зоны нечувствительности связан с выходом сумматора 2 . Принцип действия устройства основан на автоматической компенсации установившейся реакции на выходе исследуемого объекта (t)aA((Ju)) (1) сигналом XK с выхода цепи компенсаXK(t)aA sin(wt+) , (2 гще а, (ju - амготтуда и частота синусоидального воздействия на входе объекта; А (ui) , (to) - амплитудная и фазова частотные характерис тики объекта, подле ащие определению; А, ч - оценки амплитудной и фазовой частотных характеристик. В момент полной компенсации невязка Е, представляиндая собой разность сигналов с выхода исследуемой система и с выхода цепи компенсации Е Хйыч (t)-X,(t) . (3 стремится к нулю. Однако вследствие погрешностей технической реализаций устройства, а также в силу присутствия в невязке Е помех и постоянной составляннцей, обусловленной, в частности, неточностью измерения сигнала X t на выходе объекта и отклонениями его фop от синусоидальной, на практике не происходит полного обнуления невязки При фиксированной зоне нечувствитель ности, содержащейся в известном устройстве, процесс подстройки модели принудительно заканчивается при амплитуде невязки Е 1 Д, где л - постоянная величина зоны нечувствитель ности. При этом величина относительной сняибки измерения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) i - д(и)) AM относительное значение невязки АтЬт и. абсолютная ошибка i-f (ш) связаны соотношением (((l+) g - / - t вйтекающем из формулы (3). Величины ошибок измерения АФЧХ в соответствии с выражением (4) находятся в предепах , t что при постоянной величине д приводит к зависимости относительной точности измерения от текущего значения А (LU) . Кроме того, при наличии в выходном сигнале объекта постоянной составляющей по окончании процесса подстройки устанавливаются колебания с постоянной амплитудой как в канале подстройки фазы, так и в канале подстройки амплитуды. Кроме неудобств в отсчете показаний индикаторов, эти колебания являются источником погрешностей в определении частотных характеристик,вследствие чего возникает необходимость компенсации постоянной составляющей невязки. Цель изобретения - повышение точности работы устройства для определения частотных характеристик. Указанная цель достигается тем, что Устройство содержит интегратор, вход которого соединен с выходом сумматора, выход соединен с третьим входом сумматора, управляющий вход нелинейного элемента подключен к выходу интегратора канала подстройки ампли туды. На фнг. 1 приведена функциональная схема устройства для определения частотных характеристик элементов и систем автоматического управления; на фиг. 2 - графики временных процессов в каналах подстройки без дополнительного интегратора; на фиг. 3 графики временных процессов s каналах подстройки и на выходе дополнительного интегратора при его включении в схему. Устройство для определения частотных характеристик содержит генератор 1 синусоидальных колебаний, соединенный своим быходом со входом исследуемого объекта 2 и с одним из двух входов фазовращателя 3, первый выход которого подключен к первому вxoдy блока 4 умножения и к первому входу синхронного детектора 5,а второй выход - к первому входу синхронного детектора 6 .Фазовргичатель 3 с двумя входами и двумя выходами, причем фаза колебаний второго выхода сдвинута на угол по отношению к первому, и блок 4 умножения образуют цепь компенсации выходного сигнала исследуемого объекта, причем ошибка компенсации (невязка) формируется на выходе сумматора 7, входы которого соединены с выходами исследуемого объекта 2 и блока 4 умножения. Выход сумматора 7 через последовательно соединенные нелинейный элемент 8, блок 9 коррекции коэффициента усиления и блок 10 умножения подключен ко вторым входам синхронных детекторов 5 и 6, выходы которых через интеграторы 11 и 12, снабженные индикаторами 13 и 14 амплитудной и фазовой частотных характеристик, соединены соответственно со вторыми входами блока 4 умножения и фазовращателя 3. Для введения информации о частоте синусоидального воздействия в каналы подстройки амплитуды .15 и фазы 16 выход датчика 17 частоты подключен ко второму входу блока 10 умножения. С целью компенсации постоянной составлякндей невязки устройство содержит интегратор 18, подключенный своим входом к выходу сумматора 7, а выходом - к третьему входу сумматора 7. Для введения информации об амплитуде компенсирующего сигнала выход интегратора 11 канала 15 подстройки амплитуды соединен с управляющим входом блока 9 коррекции коэффициента усиления и управляющим входом нелинейного элемента 8. При наличии постоянной составляющей Ад, а также компенсирующего, сигнала RO(t) невязка на выходе сумматора 7 принимает вид

S Х4ь,х (t)-X(t)+Ao-A(,(t) (5)

Я становится равной в случае, если

а А (ui) ; 4 1 (u) ;

АО АО,

т.е. настраиваемые параметры А и Ч цепи компенсации действительно представляют собой оценки амплитудной и фазовой частотных характеристик, а величина постоянной составляющей А невязки компенсируется сигналом АО.

Алгоритм автомати еской подстройки параметров Я, i и Ад до нужных значений может быть, получен градиентным методом по известному соотношению

Y Q (Y) , где положительный коэф- фициент; Q(Y)E (У) - критерий качества

работы cHCTeNM; Y,4,Ag - вектор настраиваемых параметров.

Переходя к скалярной форме и учитывая уравнение (5), получим алгоритм настройки модели

r-Xe :AaSs nC ot4()),

Qn

ij,.| xa ecostu(}, (Ь) .,,

(Я АО

где X 2 Х .

Наличие в алгоритме подстройки фазы величины и в качестве сомножителя приводит к усложнению технической реализации алгоритма. Этого можно избежать, используя алгоритм

| AESin(wi-4

Q ieco5(ujt-K}),

,

работоспособность которого подтверждается цифровым моделированием (фиг. 3) .

При полной компенсации постоянной составляющей АО погропности измерения АФЧХ определяются величиной невязки Е, при которой заканчивается процесс подстройки модели. Наличие на выходе сумматора 7 нелинейного элемента с зоной нечувствительности, регулируемой по закону

а г A(tu) ,(7)

где f - заданная относительная точность измерения, позволяет принудительно заканчивать процесс подстройки модели при относительном уровне невязки в , не зависящим от величины измеряемой амплитуды A(uj. В этом случае

°ег ГМ лТиТ

откуда, учитывая (7), имеем l(El y.

Поскольку величина А (о)) подлежит определению и является неизвестной, точная реализация в виде (7) закона подстройки зоны нечувствительности невозможна. Однако, учитывая,что по окончании процесса измерения (ои), возможна его приближенная реализация в виде

Д X A(t) .

Технически этот закон реализован в изобретении путем введения на управляющий вход нелинейного элемента тип зоны нечувствительности сигнала A(t) с выхода интегратора канала подстройки амплитуды.

Предлагаемая компенсация постоянной составляющей, а также регулирование зоны нечувствительности нелинейного элемента позволяет повысить точность устройства для определения частотных характеристик.

Использование изобретения в инженерной практике позволит сократить сроки проектирования, отладки и различного рода контрольных испытаний систем автоматического управления (например, приемно-сдаточных, ресурсных и др.), что дает определенный экономический эффект.

Формула изобретения

Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического управления по авт.св. № 758079, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит интегратор, вход которого соединен с выходом сумматора, выход соединен с третьим входом сумматора, управляющий вход нелинейного элемента подкли чен к выходу интегратора канала поД

стройки амплитуды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Вавилов А.А и др. Экспериментальное определение частотных харакч

теристик автоматических систем. М.-Л., Госэнергоиздат, 1963, с,15-11.

2, Авторское свидетельстБО СССР W 758079, кл. G 05 В 23/00, 1978 (прототип),

г.1

т

f,9

А7

1, ОВ

о o,k 0,6 0,8 t,c

Фиг.2

АО

Of

- ,1

e,if

о,г

о

-0.2

/

-0,1

(7