Устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования Советский патент 1982 года по МПК G05B23/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-)

ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ РЕГУЛИРСЮАНИЯ

I

Изобретение относится к авгомагическому управлению и регулированию в предназначено для экспериментального исследования динамических характеристик линейных систем автоматического управления (САУ),

Известен анализатор спектра, основанный на вычислении ряда Фурье, содер}|(ащий генератор гармонических колебаний, блоки умножения, интеграторы и регистратор. При определении амплитудно-фазовых характеристик этим анализатором система выводится на режим вынужденных колебаний, выходной сигнал системы умножается на синусоидальные и косинусоидальные колебания, а затем полученное произведение интегрируется на периоде. На выходе интеграторов получается значение вещественной и мнимой составляющей амплитудно-фазовой характеристики Li. .

Недостатками устройства являются низкое быстродействие и сложность в реализации блоков умножения.

Известно также устройство для из- мерення амплитудных и фазовых частотных характеристик элементов и систем автоматического управления, содержащее генератор синусоидальных колебаний частот, перестраиваемый фазовращатель, сумматор, канал подстройки амплитуды и канал подстройки фазы Г2} .

Однако это устройство отличается длительностью времени анализа так как , точки амплитудно-фазовой характеристики определяются путем последовательной подачи на вход исследуемой системы ряда частот, а также отаосительно высокой сложностью, особеяно его нападки. Это объясняется г&л, что каналы подстройки фазы и амплитуды содержат нелинейное звено (синхронный детектор) и, кроме этого, связаны через сумматор, что делает систему многосвязной и нелинейной.

Известно устройство для определения частотных характеристик функционирующих объектов автоматизации, содержашее две группы цифровых гармонических анализаторов, многоканальное устройство сравнения с дв.умя группами. В процессе эксплуатации цифровые, гармоничес .кие анализаторы выделяют амплитуднофазовую характеристику ГЗ 3 Однако это устройство отличается сложностью реализации линейных вибраторов и сложностью устройств доя обра ботки выходных сигналов линейных вибраторов, повышенной чувствительностью линейных вибраторов к действию помех, а также большим количеством преобразователей аналог - код. Известно устройство для определения частотных характеристик объектов управ ления, содержащее генератор пОлигармон ческих колебаний, подключенный к входу объекта.. Это устройство значительно проще, так как отсутствуют линейные вибраторы для определения скрытых периодичностей из сигнала, поступающего на вход объек та ,С41 .-. Однако и это устройство имеет повы шенную чувствительность линейных вибр торов к действию помех и отличается сложностью в аппаратурной реализации, связанной со сложностью реализации линейных вибраторов и относительно боль- шим количеством преобразователей аналог - код. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования, содержащее задатчик интервала интегрирования, две группы логических блоков, последовательно соединенные генератор частоты, первый делитель час тоты и генератор функций Радемахера, выходь которого связаны с первыми вхо дами первой группы логических блоков, вторые входы логических блоков через блок выделения знака соединены с выхо дом исследуемой системы и входом преобразователя напряжение - частоты, выход которого через ключ соединен с вхо дом блока делителей частоты, выходы которогосоединены с первыми входами соответствующих корреляторов, вторые входы которых подключены к выходам соответствуюишх логических блоков, выход задатчика интервала интегрирования соединен с управляюишм входом ключа, вход - с одним из выходов генератора функций Радемахера, а вь1ходы корреляторов гармоник выше вт.рой связаны с входами соответствующих регистраторов ui. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит второй делитель частоты и четыре сумматора, выходы-которых подключены к входам соответствующих регистраторов, причем выходы корреляторов нечетных гармоник соединены с соответствующими входами первого и второго сумматоров, выходы корреляторов удвоеной частоты нечетных гармоник связаны с соответствующими входами третьего и четвертого сумматоров, вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора частоты, а выхода - с первыми входами второй группы логических блоков. На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит генератор 1 частоты, первый 2 и второй 3 делители частоты, генератор 4 функций Радемахера, дискретно-аналоговый генератор 5 на функциях Уолша, состоящий из синтезатора 6 функций Уолща .и задатчика 7 зесовых коэффициентов, исследуемую систему 8, преобразователь напряжение частота 9, блок 10 выделения знака, ключ 11, задатчик 12 интервала интегрирования, две группы логических блоков 13 и 14, делители 15 и 16 частоты, две группы корреляторов 17 и 18, сумматоры 19 - 22, регистраторы 23 и 24. Генератор 1 частоты, делители 2 и 3, преобразователь напряжение - частота 9, ключ 11, делители 15 и 16, сумматоры 19 - 22, регистраторы 23 и 24 являются стандартными элементами измерительной техники. В качестве устройства выявления знака выходного сигнала используется нульорган, в качестве задатчика 12 интегрирования используется счетчик самой низкочастотной функции Радемахера, в качестве логических, блоков 13 и 14 используется элемент, выполняющий функции равнозначности, в качестве линейных корреляторов 17 и 18 используются реверсивные счетчики. Таким образом, все перечисленные элементы относятся к стандартным элементам измерительной техники. К ним не предъявляется особых требований, поэтому не приводятся примеры их роаЛизации. Менее распространенными блоками в данном устройстве является т-онератор 4 ортогональных функций Радемахера и дискретно-аналоговые генераторы 5.

Функции Радемахера имеют вид правильной прямоугольной кривой меандра, на нормированном интервале укладывается 2 полупериодов этого меандра (i 1,2,..., п). Функции Радемахера являются нечетными на интервале задания, поэтому их можно считать аналогом Sicgnsiri u)l. При сдвиге функций Радемахера на четверть периода образуется . система функций, которую можно считать aHarroroMSiojncOB по отношению к системе функций Stqjnsin uj-tСигналы с выхода генератора 4 функций Радемахера подаются на вход дискретно-аналогового генератора 5, на вхоДе которого появляется гармонический сигнал с частотой, определяемой самой низшей функцией Радем(хера. Эта частота подается на вход исследуемой системы 8. На входе исследуемой системы 8 после затухания свободных колебаний остаются вынужденные колебания. Так как исследуется система 8 существенно нелинейная, то вынужденные колебания являются сложными периодическими функциями времени. Провести гармонический анализ - это значит представить сложное колебание в виде суммы элементарных колебаний. Преобразователем напряжение частота 9 выходное напряжение исследуемой системы преобразуется в частоту, которая через ключ 11, управляемый задатчиком 12 интервала интегрирования через делители 15 и 16 поступает на две группы корреляторов 17 и 18, каждый из которых управляется соответствующей ей группой логических блоков 13 и 14. На первые входы группы логических блоков 13 поступает SioCT a( ) ((t) - сигнал с выхода исследуемой системы), а на вторые входы - сигналы sic(nC05Kuj.t(, 2, .... 8; К - число одновременно определяемых гармоник в выходном сигнале. Это число может быть любым. Мы прин$ши для примера, что К 8). На первые входы группы логических блоков 14 поступает сигнал (), а на вторые входы поступают сигналы, соответствующиедЦлSintuJ

Как известно, взаимная релейная корреляционная функция входного и выходного сигнала записывается в виде

,(i:KJ Ct)-siXn x()

о

X (t ) - входной сигнал системы, определяемый выражением

X(.t)A SinUJ.t,

V(t) - выходной сигнал, опредепявмый выражением

Xt)2 B,,Sin(lC«t),

А - ак пЛитуда выходаого сигнаi па; gi - амплитуда К-гой гармоники

выходного сигнала; - фазовый сдвиг на К-той

гармонике; UJ. - круговая-частота основной

гармоники; п - число гармоник, для которых определяется амплитудно- . разовая характеристика. Предположим, что (t ) состоит из восьми гармоник. Это предположение понадобилось для того, чтобы конкретизировать блок-схему. Используем в качестве 3icpfirx() сигналы Sic{n9inKu 2-t и сигналы SiojntOSku)t. Эти сигналы формируются : в первом дёйитепе и генераторе и пода ются на вход групп логических блоков

; 13 и 14.

Представим сигналы QiC5nSlhKu)t.H SioJncosKiOjtB виде ряда Фурье. Так как

прямоугольная вотаа представтюется в виде ряда с нечетным количеством гармоник, определяемым выражением (2Й-1), где (& 1,2...), то снгналы elQfn einKiu t и sioSriCOsKuJ.-t представлены в виде произведения.

. . Подставим разложение i HSiancosKw tB формулу (1), представив ( t) как сумму гармоник ( П 8). Тогда под интегралом в выражении (1)

будут стоять произведения двух тригонометрических рядов, у которых в сипу ор.тогональности все слагаемые вида

5sAnOtuj.t+4,.)sinK.taeH)u).idt д«1)

О

t

SAn(Kuj.i+4)co5KC4e-i)u)tdt еэ)

равны нулю, кроме тех, у частоты К U). и К () равны.

Учитъшая соотношения (2) и (3) для первого интегратора (), выражение 1 (1) принимает вид

)((

(4)

figU i) MY r%Ц 1 rnliЗw.)3 Jj5u) ,; для второго интегратора () )).).Re(j6u.),(fo) .xШ tлlUjЧ Ui i).) для Третьего интегратора () . ). tS) x(|b|A 3Ji3u,.).c9) для четвертого интегратора () , VT l eU ifl 44|1--|лЧ т1ИЧ).(11) Аналогично можно получить выражение для всех генераторов, из которых может быть получена система уравнени : Учитывая, что количество известных iравно числу уравнений, а сами уравнения, кроме двух первых, развязаны дру относительно друга, noBOj bHo просто по лучаются все значенияЯе()( Операция умножения осуществляется группой корреляторов 17 и 18, которы управляются сигналами с выхода соответствующих логических блоков 13 и 14. , Определение действительной и мнимо частот амплитудно-фазовой характеристи ки для 3u) и бопее высоких частот определяется по показанию двух групп 23 и 24. Показывающие регистраторов и Ш ItxJj соедине приборы для Ш иы с выходсм корреляторов через сумм Торы (19 - 22). Наприм, чтобы полу srrb значение ЙС (j ш) необходимо, согпасво выраженто (4), вычесть из показания коррелйпгора основной гармоники (ц) Ц). ) показания корреляторов трет ей, пятой и седьмой гармоник ( Ш Зи) Ч) 5 W.; Ч) « 7 U)0 Эту операцию выполняет сумматор 20. Аналогичную операцию, но при определении 3( j uj) выполняет сумматор 19. Определение Rp(djAO) H M-CdjiU,) выполняется в сумматорах 22 и 21 согласно выражениям (6) и (7). Таким образом, введение делителя частоты, который соединен с входом введенных логических блоков, а также соединения выходов корреляторов, определяющих нечетные гармоники, и выход , корреляторов, определяющих; гармоники путем умножения нечетных гармоник на два, соединенных с входами блоков алгебраического сложения, позволяет расш№ рить функциональные возможности устройства. Формула изобретен.ия Устройство для определения амплитудно-фазовых характеристик системы регулирования, содержащее задатчик интервала интегрирования, две группы логических блоков и последовательно соединенные генератор частоты, первый делитель частоты и генератор функций Радемахера, выходы которого связаны с первыми -Входами первой группы логических блоков, вторые входы логических, блоков через блок выделения знака соединены с выходами исследуемой системы и входом преобразователя напряжение - частота, выход которого через ключ соединен с входом блока делителей частоты, выходы которого соединены с первыми входами соответствующих корреляторов, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих логических блоков, выход задатчика интервала интегрирования соединен с управляющим входом ключа, вход - с одним из выходов генератора функций Радемахера, а выходы корреляторов гармоник выше второй связаны с входами соответствующих регистраторов, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит второй делитель частоты и четыре сумматора, выходы которых подключены к входам соответствующих регистраторов, причем выходы корреляторов нечетных гармоник соединены с соответствующими входами первого и второго сумматоров, выходы корреляторов удвоенной частоты нечетных гармоник связаны с соответствующими входами третьего и четвертого сумматоров, вход второго делителя частоты соединен с выходом генератора частоты, а выходы - с первыми входами второй группы логических блоков. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 Авторское свидетельство СССР N- 446035, кл, G 05 В 23/02, 1972. 2 Авторское свидетельство СССР 199229, кл. 05 В 23/02, 1966. 3.Авторское свидетельство СССР N- 307390, кл. Q05 В 23/02, 1970. 4.Авторское свидетельство СССР по заявке К 2454-270: кл. (5 05 В 23/02, 1977 (прототип).

и:

tsi

/г / / / А л -/