Устройство для определения динамических характеристик Советский патент 1982 года по МПК G05B23/02 

393 датчика воздействий подключен к выходу устройства, второй вход блока записи и считывания - к входу устройства. В этом устройстве сначала определяются амплитудно-фазовые частотные характеристики датчика входного воздействия, затем по ним корректируются знамения амплитудно-фазовых частотных характеристик объекта. Вследствие учета влияния на результаты отклонения формы реального воздействия повышена точность определения динамических характеристик. Устройство позволяет определять широ кий набор ди1намических характеристик а именно, спектр по реализации процесса, спектральную плотность по корреляционной функции, корреляционную функцию по спектральной плотности, сигнал по действительной или мнимой частям регулярного спектра, амплитудно-фазовую характеристику исследуемого объекта в процессе нормальной эксплуатации С2 3. Однако известное устройство сложно в изготовлении, так как содержит значительное число различных по стру туре устройств и блоков вычисления динамических характеристик и требует значительных аппаратурных затрат для реализации. Цель изобретения - упрощение устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство введены блок задания, вычислительный блок первый регистр и последовательно соединенные запоминающий блок, сдвигающий регист первый сумматор и второй регистр, а также последовательно соединенные третий регистр, второй сумматор, че вертый регистр, первый блок сдвига, первый переключатель, третий сумматор и пятый регистр, последовательно соединенные второй блок сдвига и второй переключатель, причем выход блока задания подключен к входу датчика воздействий, третьему входу блока записи и считывания, второму входу коммутатора, второму входу пятого регистра, первому входу второго блока сдвига, второму входу пер вого блока сдвига, второму входу чет вертого регистра, первому входу трет его регистра, второму входу второго регистра, входу вычислительного блока, входу запоминающего блока, второму входу сдвигающего регистра, вто рому входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу второго переключателя, второму входу первого пepeключaтeJпя, второму входу третьего сумматора, первому входу; регистрирующего блока к второму входу которого подключен первый выход второго регистра и четвертый вход блока записи и считывания, выход первого регистра подсоединен к третьему входу третьего сумматора и третьему входу первого сумматора , выходом подключенного к третъему входу второго сумматора и четвертому входу третьего сумматора, второй выход которого соединен с четвертым входом второго сумматора и четвертым входом первого сумматора, подсоединенного пятым входом к второму выходу второго регистра, а первым входом - к второму входу второго сумматора и пятому входу третьего сумматора, второй вход третьего регистра - к первому входу четвертого регистра, второй выход третьего регистра - к пятому входу блока записи и считывания, второй выход четвертого регистра - к шестому входу второго сумматора, второй выход первого регистра - к шестому входу блока записи и считывания, выход вычислительного блока - к третьему входу второго регистра, (ервый выход четвертого регистра - к третьему входу регистрирующего блока, выход первого блока сдвига - к третьему .входу второго переключателя, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, выход второго блока сдвига - к третьему входу первого переключателя, первый выход пятого регистра - к второму входу второго блока сдвига и четвертому входу регистрирующего блока, второй выход пятого регистра - к шестому входу третьего сумматора, первый выход коммутатора - к пятому входу регистрирующего блока, второй выход коммутатора - к первому Входу первого регистра, вторым входом подключенного к первому входу пятого регистра, третий выход коммутаторак третьему входу пятого регистра, четвертый выход коммутатора - к третьему входу четвертого регистра. На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит датчик 1 воздействий, объект 2, блок 3 записи и считывания, коммутатор k, регистрирующий блок 5, регистры 6-10, блоки П и 12 сдвига, сумматоры 13; 1 и 1, переключатели 1б и 17, вычислительный блок 18, запомина--ющий блок 19, сдвигающий регистр 20 и блок 21 задания. В основу вычислений динамических характеристик положен итерационный процесс, известный в литературе как метод вычисления цифра за цифрой описанный, например в СЗ . Регистры 7 и 8, блоки 11 и 12, сдвига, переключатели 1б и 17, сумматоры 13 и И образуют совмещенный блок умножения, генерации, гармонических колебаний, функционального преобразования и деления. В ре гистрах 6 и 9 накапливаются суммы вычисляемых величин. Переключатели 16 и 17 в зависимости от режима работы обеспечивают необходимые соединения выходов блоков,11 и 12 сдвига с входами переключателя 1б и 17. Пе ред началом вычисления произведения величин XQ и YjjHa значения косинуса синуса определенного аргумента они заносятся в качестве исходных величин в регистры 7 и 8. Получение п-разрядного результата осуществляется после п тактов вычисления двух взаимосвязанных величин .. Операции умножения на 2 заменяются в устройстве операциями сдвига на 1 разрядов содержимого регистров 7 и 8 с помощью блоков 11 и 12 сдви га с последующей его передачей на входы сумматоров 13 и Т. Величины Ep() определяются на основании представления аргумента Qg, выработанного в вычислительном блоке 18, к системе счисления с искусственным порядком весов Q g разрядов кода: П-1 я fg9g Sdrct(r1 . (г} д-.о Предварительно вычисленные константы arctg2 B каждом такте извлекаются из запоминающего блока 19 и передаются на входь сумматора 15 с таким знаком, чтобы начальное значение аргумента (Jo в регистре 10 умень е 0.Знаковый разряд шилосьб - , о JM получаемого результата g используется для управления режимами сумми6рования в сумматорах 13 и I. Произведение величины XQ и Уд.на косинус и синус определенного аргумента получаются по рассмотренному алгоритму увеличенными на величину , 64676. Однако, как будет показано ниже, окончательный результат получен без масштабной деформации. Для 17П/1 arctg2 2 Поэтому константы в младших тактах вычисления вырабатываются с помощью вычислительного блока 20 путем сдвига его содержимого на 1 разряд. Это позволяет сократить в 2 раза емкость запоминающего блока 19. При выполнении операции деления делимое формируется в регистре 7, делитель Y заносится в регистр 8, частное получается в регистре 9. Делимое уменьшается по тактам вычисления I по соотношению хе+1 хгГе2- YQ, (3) в котором величина §g определяется по знаку Xg и служит для формирования частного 2рн Ze+fe 2 С, где С - константа. В качестве генератора констант при вычислении частного используется сдвигающий регистр 20, содержимое которого сдвигается в каждом такте на 1 разряд в сторону младших разрядов. Операции деления соответствует , операции делениях умножением частного на константу - . Константа С из запоминающего блока 19 перед началом деления заноситсяв сдвигающий регистр 20. Для вычисления величины Xgt по соотношению (З) на входы сумматора 13 с выхода регистра 7 поступает величина Xg,, с выхода регистра 8 через блок 12 сдвига величина 2 Yg. По величине , которая сохраняется в сумматоре 13 на один такт вычисления, выполняется вычисление величины Х, по сигналу Eg с выхода сумматора 14, последний выполняет такт вычисления величины Zp... В регистре 9 частного в конце цикла вычисления хранится 2 5 /У0-С. Чтобы использовать общие цепи передачи величин в регистрирующий блок 5, после определения младшего разряда частное передается с выхода сумматора lA в регистр 8 и затем в регистрирующий блок 5. Определение амплитудно- и фазочастотных характеристик сопровождается выполнением операции определения модуля А и аргумента V вектора. В регистры 7 и 8 заносятся составляющие вектора А по осям координат: в регистр 7 - величина YO, в регистр 8 величина XQ, в регистр 10 аргумента 0. Далее вычисляются величины e efe h -е Величины Yg вычисляются сумматором 13 по величинам с выходов регистра 7 и блока 12 сдвига, результат вновь заносится в регистр 7. Величины Xg вычисляются аналогичным образом, как величины Yg,,c помощью сумматора 1, блока 11 сдвига, результаты фиксируются в регистре 8. Величина определяется по знаку величины Yg и с выхода сумматора 13 передается для управления работой су матора Н, 15. Вычисление величины Чр выполняется с использованием регистра IQ, сумматора 15 и запоминающего блока 19. в котором хранятся предварительно вычисленные константы arct 7. .Константы в тактах определения младших разрядов вырабатываются путем сдвига константы предшествующего такта с помощью сдвигающего регистра 20. После п тактов вычисления в регистре 8 присутствует величина А в регистре 10 - величина Ч -arctg-jj . В режимах определения динамически характеристик устройство работает следующим образом. При определении амплитудно-фазовой характеристики объекта по переходному процессу входное воздействие, например прямоугольный импульс, подается с датчика 1 воздействий на вход объекта 2 и на первый вход блока 3 записи и считывания, в котором происходит преобразование и запоминание выборок входного воздействия. Сигнал с выхода исследуемого объекта y(t) (переходной процесс), вызванный входным воздействием, поступает на вход блока 3 записи и считывания где также происходит его преобраЭоваиие и запоминание. Цифровая информация X(t) о выход ном сигнале в момент времени t чере коммутатор 4 заносится в регистры 7 9 6 и 8. Для каждой выборки сигнала XCtj) путем вычисления соотношений (1).в регистре 7 формируется X(ti)s}n2J P/Ul в регистре 8 X(t) cos 1 I, Дей- . ствительная Р;({Шр)и )мнимая составляющие спектра входного сигнала X(t) образуются в регистрах 6 и 9 вычислением сумм i)NH njjp Qij{(Oip)TiXl)SiT1-i P,lujp).|eVi.)cos.-Л7) где u)p- частота; М - число выборок сигна{1а; ,I,..:F - 1 N х установления вход ного воздействия, i t(j- интервал дискретизации. Аргумент вырабатывается в блоке t8 формирователя аргумента. После вычисления последнего слагаемого величины (1;((и;)и Рх(шр) заносятся в регистры 7 и В. Потом выполняется операция определения модуля АХ (U)p) и fJ({u p/аргумента вектора А по его составляющим ) результате в регистре 8 вырабатывается амплитуда A(ujp))- -Q5tu)p) . a(vOp| регистре 10 - фазасу(ц)р)г.(у р ц, ч спектральной составляющей входного сигнала X(t). Величины A)(u)(, редаются в блок 3 записи и считывания и в регистрирующий блок 5. Аналогичным образом преобразуется сигнал Y(t), характеризующий реакцию объекта 2 на входное воздействие X(t). Определение величин ;(Юр) иЧ(Шр)происходит также, как и определение величин А(Шр) и fy(U3p) в соответствии с выражениями :P/V4|/ (, M-l ft-ffo (p)|гP (,(9) )p)-apct(a,,Cu)p)/Rj,(lOp)).(1o) Число выборок сигнала y(t) для време- ни установления сигнала Для последующего выполнения опеТ ции деления величина Av)i.uJp) передается из регистра 8 в регистр 7. Момент окончания вычисления величин Av,(U)p) иУ(иЗр)служит сигналом выдачи значений А(и)р)иЦ(()из блока 3 записи и считывания через коммутато 4 в регистры 7 и 6 соответственно. выходе сумматора 15 формируется величина /(lOp))-Чx(V) характеризующая фазо-частотную характеристик объекта 2, в регистре 8 после выпол нения операции деления - величина A,(iwpj Л (xup) определяющая амплиАуЫр) тудно-частотную характеристику объе та 2, Так как величины Ay(u)p)и первоначально получены увеличенными в одинаковое число К раз, после выполнения операции деления результирующая величина А(ujp) получается без увеличения. Величины А(Шр) и/СШр передаются в регистрирующий блок 5. Они также могут быть записаны в блок 3 записи и считывания для последующей обработки и воспроизведения. При определении спектра по реали зации процесса,устройство работает также, как и при определении амплитудно-фазовой характеристики объекта 2, не выполняется только операция определения модуля и аргумента вектора. Выборки реализации процесса y(t) заносятся в блок 3 записи и считывания„ По выражениям (8) и(9 вычисляются действительная Р(чир) и мнимая Q( составляющие спектра которые снимаются с выходов регист- ров 7 и 8 и передаются в регистрирующий блок 5 или (и)в блок 3 записи и считывания. В основе вычисления спектральной плотности S(u)p) по корреляционной функции RCf) лежит зависимость Slvup)f-r Я(Т.)созМ - Число выборок L корреляционной функции Я(С)для интервала корреляции ty, и интервала дискретизацид определяется соотношением L |г В блок 3 записи и считывания в этом режиме заносятся выборки корреляционной функции RCC-). Значения S(ujp) формируются в регистре 8. Учет коэффициента 2 выполняется сдвигом со6держимого регистра 8 в сторону старших разрядов кода при передаче его в регистрирующий блок 5. Для определения корреляционной функции R(Cp)no выборкам спектральной плотности S(u)j) на частотахЫ.г : используется соотношение о i O«i sK).(a) Число выборок частоты L, для верхней граничной частоты ш и интервала дискретизации по частоте U)o равно . По выборкам спектральной плотности 5(.и);),поступающим из блока 3 записи и считывания, в регистре 8 в результате вычислений по выражению U3) получаются значения выборок корреляционной функции RCfp). Определение процесса Y(tp) по действительной ))или мнимой (jOuj) составляющим спектра выполняется аналогично рассмотренным операциям с использованием выражений U,)-ж; (). Выборки процесса Y(tp) с выходов регистров 7 и 8 передаются на входы регистрирующего устройства 5. 000 Учет коэффициентов - , - . -i- в ЛЫ JM Jl, последних выражениях производится умножением содержимого регистра 7 и 8 на соответствующие константы. Константы извлекаются из запоминающего блока 19 и через сдвигающий регистр 20 передаются на входы управления сумматоров 13 и k, где используются для формирования результирующих величин. Информация о динамических характеристиках объекта может выдаваться оперативно в регистрирующий блок 5 или накапливаться в блоке 3 записи и считывания для последующей выдачи в регистрирующий блок 5. Изменение вида возмущения выполняется по сигналам управления из блока 21 задания. Это расширяет функциональные возможности устройства. Так как вычисление динамических арактеристик объекта 2 происходит не в реальном временк, а по выборкам роцесса из блока 3 записи и счи1193тывания допустимо значительное (до сотых-десятых долей секунды) время вычисления характеристик. Вследствие этого можно применить простейшие блоки и устройства с последовательной обработкой величину блок 3 записи и считывания может быть выполнен в ви де сдвигающих регистров. Емкость его равна , где N - объем выборок, п - разрядность выборок и результатов, К - число упорядоченных массивов, информации. В качестве регистров 6,7,8,9,10,20 используются сдвигающие регистры, блоков 11 и 12 сдвига цифровые переключатели выходов разр ядов регистров на основе логических элементов, сумматоров 13, 1 и 15 одноразрядные сумматоры последовательного типа. Емкость запоминающего блока 19 не превосходит п+ ячеек, включая ячейки для хранения констант 1/К, l3lM, J/jL-j, С учетом приведенного выше замечания и для N И L емкость запоминающего блока 19 может быть уменьшена. Таким образом, устройство может быть реализовано с применением самых простых типовых схем. формула изобретения Устройство для определения динами ческих характеристик, содержащее регистрирующий блок и последовательно соединенные датчик воздействий, блок записи и считывания и кбммутатор, выход датчика воздействий подключен к выходу устройства, .второй вход блока записи и считывания - к входу устройства, отличающееся тем,.что, с целью упрощения устрой ства, в него введены блок задания, вычислительный блок, первый регистр и последовательно соединенные запоми нающий блок, сдвигающий регистр, пер вый «умматор и второй регистр, а также последовательно соединенные третий регистр, второй сумматор, четвертый регистр, первый блок сдвига, первый переключатель, третий сумматор и пятый регистр, последовательно соединенные второй блок сдвига и второй переключатель, причем выход блока задания подключен к входу датчика воздействий, третьему вхо ду блока записи и считывания, второму входу коммутатора, второму входу пятого регистра, первому входу . второго блока сдвига, второму входу первого блока сдвига, второму входу четвертого регистра, первому входу третьего регистра, второму входу второго регистра, входу вычислительного блока, входу запоминающего блока, второму входу сдвигающего регистра, второму входу первого сумматора, второму входу второго сумматора, второму входу второго переключателя, второму входу первого переключателя, второму входу третьего сумматора, первому входу регистрирующего блока, к второму входу которого подключен первый выход второго регистра и четвертый вход блока записи и считывания, выход первого регистра подсоединен к третьему входу третьего сумматора и третьему входу первого сумматора, выходом подключенного к третьему входу второго сумматора и четвертому входу третьего сумматора, второй выход которого соединен с четвертым входом второго сумматора и четвертым входом первого сумматора, подсоединенного пятым входом к второму выходу второго регистра, а первым входом - к второму входу второго сумматора и пятому входу третьего сумматора, второй вход третьего регистра - к первому входу четвертого регистра, второй выход третьего регистра - к пятому входу блока записи и считывания, второй выход четвертого регистр ра - к шестому входу второго сумматора, второй выход первого регистра к шестому входу блока записи и считывания, выход вычислительного блока - к третьему входу второго регистра, первый выход четвертого регистра - к третьему входу регистрирующего блока, выход первого блока сдвига - к третьему входу второго переключателя, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, выход второго блока сдвига к третьему входу первого переключателя, первый выход пятого регистрак второму входу второго блока сдвига и четвертому входу регистрирующего блока, второй выход пятого регистра - к шестому входу третьего сумматора, первый выход коммутатора - к прямому входу регистрирующего блока,. второй выход коммутатора - к первому входу перврго регистра, вторым входом подключенного к первому входу пятого регистра, а третий выход ком мутатора - к третьему входу пятого регистра, четвертый выход коммутатора - к третьему входу четвертого регистра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1« Авторское свидетельство СССР 9 614 № 375626, кл. G 05 В 23/02, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 599255, кл. G 05 В 23/02} 1978 (прототип JI. 3.Байков В. Д. и Смолов В. Б. Аппаратурная, реализация элементарных функий в ЦВМ. Л., Изд-во, Л., ун-та, 1975, с. 96.