Устройство для определения частотных характеристик импульсных систем автоматического регулирования

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоцнапистнчесииареспублик и 938265(22) Заявлено 16, 10. 79 (21) 283191)18-2 Цс присоединением заявки (51)М, Кл. С ОБ,В 23/02 6 ВуйарствапЫ 1 канит 6 т СССР ае давая вэовратевнВ н юткрыткя(088.8 ) Опубликовано 23,06,82, Бюллетень 23 Дата опубликования описания 23. 06. 82 В.Л,Соседка, И.Ф,Кочура и Л.ф,Колойойцев(72) Авторы изобретен 8сТрудового,Красйогим. Артема Днепропетровский ор горный инстявнтель 511) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ Изобретение относится к автоматическому управлению и может бытьиспользовано для экспериментального определения частотных характеристик импульсных систем автоматическо 5го регулирования,Известно устройство, содержащеегенератор синусоидальных сигналов,подаваемых на вход исследуемой систе"мы, и регулятор 13.1 ОНедостатками данного устройстваявляются длительное время анализа,связанное с выводом системы в режимвынужденных колебаний, невысокаяточность определения частотных характеристик при наличии помех, Этосвязано с тем, что амплитуда выходного сигнала определяется путем стробирования ее в соответствующие мо"менты времени. Помеха, накладываясь 20на выходной сигналбудет искажатьего амплитудное значение, что иприведет к невысокой точности определения частотных характеристик,2Известно устройство, котороепозволяет определять частотные характеристики импульсных систем 2.Однако данное устройство обладаетпомехоустойчивостью, так как час"тотные характеристики определяютсяпутем разложения выходного сигналав ряд фурье,Известно также устройство для фопределения частотных характеристикимпульсных систем автоматическогорегулирования, содержащее последовательно соединенные генератор частоты, делитель с переменным коэф"фициентом деления, первый генераторфункций Радемахера, генератор функ-.ций Уолша косинусоидального сигна-. ла, первый блок аналоговых ключей,первый блок задатчиков весовыхкоэффциентов, второй блок аналоговыхключей, первый сумматор, первый преобразователь "напряжение-частота"первый счетчик импульсов и первыйблок регистрации, а также последоваИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе19 93826520умножения и четвертым входам первой 1. Авторское свидетельство СССРгруппы блоков логики, первый вход У 196967, кл, б 05 В 23/00, 1967,блока задания интервала интегрироваАвторское свидетельство СССРния - к первому входу блока управле- Ю 633975, кл, б 05 В 23/00 э 1978.ния. з 3. Зарецкий М,Н, и Новлиович М,Е.Сигнализаторы частоты с кольцом фазовой автоподстрайки. Л., "Энергия".прототип),3 93826 табельно соединеные генератор функций Уолша синусоидального сигнала, третий блок аналоговых ключей,.второй блок задатчиков весовых коэффициентов, четвертый блок аналоговых ключей,5 второй ;-.Умматор, второй преобразователь напряжение-частота, второй счетчик импульсов, второй регистра" тор, блок задания интервала интегрирования, третий блок задатчиков весо 10 вых коэффициентов и две группы блоков умножения, причем соответствующие выходы первого генератора функций Радемахера к соответствующим входам генератора функций Уолша си нусоидального сигнала и первому входу блока задания интервала интегрирования, выход которого подсоединен к управляющим входам второго и четвертого блоков аналоговых ключей, соответствующие входы третьего блока задания весовых коэффициентов соединены с соответствующими выходами первого генератора функций Уолша синусоидального сигнала, а выходы - с выходом устройства, вход устройства подсоединен к управляющим входам первого и третьего блоков аналоговых ключей и первым входом первой и второй групп блоков умножения, соответствующие входы первого и второго сумматора подключены к выходам соответствующих групп блоков умножения 3 3.Однако блоки делителей с переменЗ 5 ным коэффициентом деления являются самыми сложными в этом устройстве. Действительно, на вход блоков деления поступает высокочастотный меандровый сигнал, а на выходе блоковю деления частота сигнала должна быть ниже и для каждого делителя определяется выражением оз + пщ)(где ц) частота, при которой определяется амплитудно-Фазовая характеристика45 импульсной системы, ю и - частота работы импульсного элемента, и - натуральный ряд чисел.Частота на выходе делителя, определяемая выражениемм + п Юп), зависит еще и от требуемой точности аппроксимации гармонического сигнала функциями Уолша, Так как щ и зависит от исследуемой системы и может быть произвольной, а частоты ю , На которых определяется амплитудно-фазовая характеристика импульсной системы заранее не известнц, то де-Литель с переменным коэффициентом де. 5 4ления должен иметь достаточно густую сетку частот малый шаг дискретности ), что усложняет устройство.Кроме того, каждый канал, призванный определить составляющие ампли- тудно-фазовой характеристики соответ9 9382генератора 3 функций Радемахера,генератора 4 функций Уолша синусоидального сигнала, блока 5 эадатчиковвесовых коэффициентовисследуемойсистемы 6, генератора 7 функций Уолша косинусоидального сигнала блоков8 и 9 аналоговых ключей, блоков 10 и11 задания весовых коэффициентовблоков 12 и 13 аналоговых ключей,блока 14 задания интервала интегрирования, первой группы. блоков 15 логики, второй группы блоков 16 логики,задатчика 17 режимов, делителей 18с постоянным коэффициентов деления1делителей 19 с переменным коэффициентом деления, генератора 20 ФункцийРадемахера.генератора 21 функций Уол-.ша, имеющих синусоидальные и косинусоидальные выходы, первая группа блоков 22 умножения для определения действительных составляющих амплитудно-Фазовых характеристик, втораягруппа блоков 23 умножения для определения мнимых составляющих амплитудно-Фазовых характеристик, сумматор для определения действительной части амплиутдно-фазовой характеристики) 24, преобразователь инапряжение-частота 25, счетчик 26импульсов, блок 27 регистрации, сум- зоматор ( для определения мнимой составляющей амплитудно-Фазовой характеристики ) 28, преобразователь напряжение-частота 29, счетцик 30 импульсов, блок 31 регистрации,Блок умножения для определениядействительной части амплитудно-Фаэовой характеристики блок умножения первой группы представлен нафиг.2 и состоит из первого 32 и второго 33 блоков логики первого 34 ивторого 35 блоков аналоговь 1 х ключей,первого 26 и второго 37 эадтчикавесовых коэффициентов, блоков 38 масштабирования, инвертора 39, первого40 и второго 41 сумматоров аналоговыхключей 42 и 43,Блок умножения для определениямнимой цасти амплитудно-фаэовой характеристикиблок умножения второйгруппы ) представлен на фиг.3 и состоит из первого 45 и второго 46блоков логики, первого 47 и второго48 блоков аналоговых ключей, первого49 и второго 50 задатчиков весовых55коэффициентов, масштабных блоков51, инвертора 52, первого 53, второго 54 и третьего 55 сумматоров,аналоговых ключей 56 и 57. 10Все блоки, эа исключением генераторов функций Радемахера, генераторов функций Уолша, блоков логикии эадатчиков весовых коэффициентов,являются стандартными блоками, чтокасается нестандартных блоков, тоони легко могут быть выполнены изстандартных элементов. Например,генератор Функций Радемахера срс"тоит из цепочки последовательныхделителей на два и если на его входподается какая-то меандровая функция, то на его выходе будет и ме"андровых функций, Причем, частотакаждой последующей в два раза ниже,цем каждой предыдущей, а низкая час"тата Функций Радемахера определяет"ся частотой гармонического сигнала,который затем будет синтезироватьсяиэ функций УолшаГенератор функций Уолша представ-,ляет собой логический блок в котором осуществляется перемножение Функций Радемахера. Причем на выходегенераторов функций Уолша присутству",ют не все функции Уолша,а только те,которые учавствуют в аппроксимациисинусоидальных и косинусоидальныхсигналовЗадатчик весовых коэффициентовпредставляет собой операционный усилитель на и входов, где коэффициентусиления по каждому входу равен коэффициенту определяемому путем разложения синусоидальной или косинусоидальнай Функции в ряд Фурье"Уолша.Логические блоки определяют, время интегрирования слагаемых в выражеуниях 10 ) и 11), Логические блоки15, определяющие время 0-Т/1в течение которого интегрируются первыедва слагаемых в выражениях 10) и11), могут быть выполнены как.сумматор частот ( 3 ) или как счетчик,в который за время, равное пери)оду частоты ю заносятся импульсы,соответсвующие высшей Функции Радемахера этой цастоты. Затем на вычи"тающий вход этого счетчика подаютсяимпульсы высших функций Радемахерадвух частот: Ши м. В течениевремени, соответствующего вычитаниючисла, записанного в счетчике,выходные сигналы логических блоков 15открывают соответствующие ключи блоков умножения.Логические блоки 16, определяющиевремя Т-Т , в течение которого инДействительная составляющая ао основной гармоники определяется блоками 8, 10 и 12, а мнимая составляющая Ьоосновной гармоники определяется блоками 9, 11 и 13, При определении а о и Ъо выходной сигнал исследуемой системы поступает на входы блока ключей 8 и Я, на управляющие входы которых поступает сигнал с выхода генераторов 7 и М функций Уолша, Выходные сигналы генератора 7 содержат функции Уолша, используемые для апроксимации косинусоидальных сигналов, а выходные сигналы генератора 4 содержат Функции Уолша, используемые для аппроксимации синусоидальных сигналов. В блоках 8 и 9 осуществляется умножение выходного сигнала исследуемой системы 11 93826тегрируется третье слагаемое выражения (10 ) могут быть выполнены каквычитатели частот ( 3), или как счет"цик, в который, так же и в логическиеблоки 15 за время, равное периоду ю, заносятся импульсы высшей функцииРвдемахера этой частоты. Затем насуммирующие входы этого счетчикапоступают импульсы высшей функцииРадемахера той из частот ю и ж 30которые меньше по абсолютному значе-:нию, а на вычитающий вход поступаютимпульсы функции Радемахера той изчастотыи о.п, которая больше поабсолютному значению, В течение 15времени, соответствующего вычитанию числа после времени Т 1), выход.:ные сигналы логических блоков 16 открывают соответствующие ключи блоковумножения. 20Устройство работает следующим образом.Первый режим - подготовка к ра"боте. при этом делителем 2 задается частота, например ж 1по которой определяется амплитудно-фазоваяхарактеристика импульсной системы,а на делителях 19 выставляется коэффициент деления, который определяется частотой работы импульсногоэлемента. Причем, и-ый канал имеетсамый низкий коэффициент деления,иканал делит поступающие импульсы на два, л -2 канал - на три ит.д. Частота импульсов на выходеделителя 19 соответствует высшейфункции Радемахера, которая определяется требуемой точностью аппроксимации и частотой аппроксимируемогосигнала. Ввод делителей 18 позволяет выполнить делители 19 одинаковыми, что упрощает устройство.По сигналу "Подготовка" блок 17управления после появления импульса,соответствующего изменению знаканизшей функции Радемахера частотыи) вход 1 блока 17) дает командулогическим блокам 15 и 16 для записив реверсивный счетчик количества импульсов высшей Функции Радемахераза время, соответствующее низшей функции Радемахера частоты оз,Второй режим - измерение. Он осуществляется после того, как в логические блоки 15 и 16 занесены импуль 55сы высшей функции Радемахера за время .соответствующее периоду частотыШ, На блок 17 управления поступаетсигнал нИзмерение",При этом режиме 5 12импульсы с генератора 1 стабильнойчастоты поступают на входы делителей2 и 18. На выходе делителя 2 появляется меандровая функция, котораяиспользуется для аппрксимации гармонических сигналов частотой о С выхода делителя 18 импульсы поступаютна делители 19, на выходах которыхпоявляются меандровые функции дляаппроксимации гармонических сигналов гармоник, т.е. для аппроксимации сигналов Ш, 1 ж, Ьо)л и т.д.С выхода делителя 2 импульсы поступают на вход первого генератора3 Функций Радемахера, а затем навходы генераторов 4 и 7 функцийУолша. В генераторе 4 функций Уолша путем сложения по модулю два из функций Радемахера формируются только те функции Уолша, которые затем используются при аппроксимации синусоидального сигнала, а в генераторе 7 функций Уолша - формируются только те функции, которые затем используются при аппроксимации косинусоидального сигнала. Функции Уолша с выхода генератора 4 функций Уолша подаются на блок 5 весовых коэффициентов,в качестве которого используется операционный усилитель на п входов, На выходе блока 5 будет сформирована синусоида, которая подается на исследуемую систему 6 на выходе которой появится сигнал, в спектре которого, кроме основной гармоники, будут присутствовать и дополнительные гармоники, определяемые выражениями щ+и)ли) +.ю и таад9382 Ь 5 14 ффофо 1 где х(т.) - выходной сигнал исследуемой системы;Чо, Ч (С) " Функции Уолша для аппроксимации косинусоидального и синусоидального сигналов;Ь и а - коэффициенты разложения косинусоидальных и синусоидальных функций по системе функций Уолша.Поскольку функции Уолша принимают значения +1 или -1, то умножение заменяется суммированием функции х(1), взятой с соответствующими весовыми коэффициентами а д и Ь и . Суммирование осуществляется сумматорами 10 и 11, в качестве которых может быть использован операционный уси литель на п входов. С выхода сумма" торов 10 и 11 сигнал поступает на аналоговые ключи 12 и 13, назначение которых пропустить сигнал с выхода 10 и 11 в течении периода основной гармоники. Это осуществляется блоком 14 задания интервала интегрирования, вход которого подключен к самой низкочастотной функции Радемахера. По управляющему сигналу, поступающему с блока 17 управления, блок задания интервала интегрирования открывает ключи 12 и 13.Таким образом напряжение на выходе блоков 12 и 13 будет пропорци 4 О онально действительной аО и мнимой Ьо соответствующим основной гармоники амплитудно-фазовой характеристики импульсной системы.Теперь рассмотрим определение ко" эффициентов а 1 и Ь. С выхода генератора 1 импульсов через делитель 18 с постоянным коэффициентом деления и делитель 19 с переменным коэффициентом деления импульсы поступают назо генератор 20 функции Радемахера, а затем на генератор 21 функции Уолша, На выходах генератора 21 функций Уолша формируются две группы выходных сигналов содержащие Функции Уолша,55 используемые в дальнейшем для аппроксимации синусоидальных сигналов ( эта группа выходов поступает на шестые входы блока22 и 23 умножения,13на гармонические функции согласновыражениямХфсов а 1 а ХЬ Ь,а, +Ь, Ф+, + вторая группа вых дов содержит функции Уолша, используемые в дальнейшем для аппроксимации косинусоидальных сигналов(эта группа выходов поступает на седьмые входы блоков 22 и 23 умножения)Кроме того, с выхода генераторов 20 и 3 функций Радемахера сигналы поступают на входы логических блоков 15 и 16. В логических блоках 15 определяется время, соответствующее пределам интегрирования первых двух слагаемых выражения (10) и (11), а в логических блоках 16 определяется время, соответствующее пределам интегрирования третьего слагаемого выражения (10) и (11).Рассмотрим теперь более подробно работу блока умножения для определения действительной части амплитуднофазовой характеристики (блок умножения первой группы), Как видно из Фиг.2 блок умножения имеет шесть входов. На вход 1 подается входной сигнал исследуемой системы, на вход 2 подается созе(с), на вход 3 з(пай (щ - частота, на которой определяется амплитудно-фазовая характеристика импульсной системы). На выходыи 5 подаются сигналы с выходов логических блоков 15 и 16, а на вход 6 подается з 1 п мй, а на вход 7 совас,В блоке 22 осуществляется перемножение указанных сигналов согласно выражению (10). Для упрощения блоков умножения, которые должны выполнять функций согласно подинтегральным выражениям, в логических блоках 32 и 33 происходит формирование новых функций Уолшасоответствующих произведению аппроксимированных функциями Уолша синусоидальных и косинусоидальных функций, входящих в выражения (9), Так. как функции Уолша принимают значение +1 или -1, то в логических блоках 32 и 33 происходит сложение по модулю два соответствующих функций Уолша, Далее, с выхода логических блоков 32 и 33 сигналы поступают на управляющие входы блоков ключей 34 и 35, на аналоговые входы которых поступают сигналы с выхода исследуемой системы, а затем с выхода блоков ключей сигналы поступают на входы блоков 36 и 37 задатчиков весовых коэффициентов. На выходах бло-; ков 36 и 37 появятся, сигналы, кото65 16 где ю 1- частота при которой определяется амплитудно-фазовая характе". щристика;о 5- частота работы импульсногоэлемента,По сигналу "Измерение" ключ 42закрывается и на первый вход третьего 25сумматора 44 подаются сигналы, соответствующие двум первым подинтегральным выражениям соотношения (10),По- этачу сигналу на вычитающие входьсчетчиков блоков 15 подаются импуль- Зосы, соответствующие. высшим функциямРадемахера, иэ генерааров 3 функцийРадемахера и соответствующих генераторов 20 функций Радемахера-;Ключ42 будет закрыт до тех пор, покапроисходит вычитание из числа, запи-,.санного в счетчиках логических блоков 15. 5рые будут пропорциональны"первым двум подинтегральным выражениям состояния ( 10 ), а после масштабных блоков 38 сигналы будут равны этим подинтегральным выражениям. Сигнал с выхода блока 37 через масштабный блок 38 и инвертор 39 подается на первый сумматор 40. С выхода первого сумматора 40 через аналоговый ключ 42 сигнал подается на первый 10 вход третьего сумматора 44, Назначение ключа 40 состоит в том, чтобы пропустить сигнал с выхода сумматора 40 в течении времени Т , определяемым выражением 15 т 4 в,+ м сПри обнулении счетчиков логических блоков 15 ключ 42 закрывается 40 и одновременно поступает команда на снятие запрета с логических блоков 16, что приводит к появлению управляющих потенциалов на входах ключа 43. Ключ 43 открывается и сигналы с выходов задатчиков 36 и 37 весовых коэффициентов через масштабные блоки 38 подаются на входы сумматора 41, а затем через ключ 43 на второй вход сумматора 44. Ключ 43 открывает О ся на время, равное разности Т;- Т, (Т " это время периода, соответствующего частоте щ- ы , что обеспечивает пропускания на сумматор 44 сигнала, соответствующего третьемуслагаемому выражению (107.Время определяется следующим образом. По сигналу "Подготовка" в счетчики логических блоков 16 поступают импульсы, соответствующие высшейфункции Радемахера частоты ц), Посигналу "Измерение" на суммирующийвход счетчиков логических блоков 16поступают импульсы меньшей из час".тот щ и ы, а на вычитающий входимпульсы большей иэ частот м и ц 1 .ИКлюч 43 открыт с момента Т 1 до техпор, пока идет процесс вычитания.При достижении нулевого значения ьпоказаниях счетчиков логических блоков 16 ключ 43 разрывает цепь,Таким образом блок 22 формируетсигналы, соответствующие выражению(10)(без интегрирования),Аналогичным образом работают блоки22 по определению коэффициентов а ,ЭтСигналы, равные коэффициентам ао,а, а, а подаются на сумматор24, затем преобразователем напряжение-частота 25 превращается в последовательность импульсов и подается на счетчик 26, а затем на регистрирующий блок 27, Блок 27 после окончания времени, соответствующему самойнизкой частоте, по которой осуществляется Фурье-анализ, выдает значение,соответствующее проекции вектораамплитудно-фазовой характеристики импульсной системы на действительнуюось при частоте.Работа блока 23 по определениюмнимой части амплитудно-фазовой характеристики ( блок умножения второйгруппы) аналогична работе блока 22,но его алгоритм составлен согласно-выражению (11), Блок 23 ( фиг,3 ) также как. и блок 22 имеет шесть входовОднако на вход 3 блока 23 подаетсясово 1 а на вход 2 - 51 пщй. Определение коэффициента Ь осуществляется йо выражению (11) подобному(10), что розволяет йостроить блок23 умножения по тому же алгоритму,что и блок 22.В блоках 45 и 46 происходит формирование новых функций Уолша, кото-.рые затем поступают на управляющиевходы ключей 47 и 48, а затем назадатчики весовых коэффициентов.Навыходах блоков 49 и 50 появляютсясигналы, пропорциональные подинтегральным выражениям соотношения(11). После масштабирования (блоки51) инвертирования (блок 52 ) на входысумматоров 53 и 54 поступают сигналы, равные подинтегральным выражениямсоотношения (11) Ключи 56 и 57, управ17 9382ляемые логическими блоками 15 и 16,пропускают сигналы, соответствующие пределу интегрирования выражения11), Работа логических блоков 15 и16 по управлению пределами интегрирования аналогична описанной.Таким образом на выходе блока23 появится сигнал, равный коэффи-.,циенту Ь,Аналогичным образом работают. блоки 1 О23 по определению коэффициентов Ь,ЬеюСигналы, равные коэффициентамЬ , Ь, Ьр Ь, подаются на сумматор 28, а затем на преобразователь 5напряжение-частота 29, С выхода преобразователя напряжение-частота 29импульсы прдаются на счетчик 30, азатем на регистрирующий блок 31, навыходе которого, после окончания 20Фурье-анализа, получают значение,соответствующее проекции вектораамплитудно-фазовой характеристикиимпульсной системы на мнимую ось25Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает определение частотных характеристик импульсных и цифровых систем, что позволит добиться оптимального функционирования зо этих систем за более короткое время.формула изобретения35Устройство для определения частотных характеристик импульсных систем автоматического регулирования, содержащее последовательно соединенные генератор .частоты, делитель с переменным коэффициентом деления, первый генератор функций Радемахера,.генератор функций Уолша косинусоидального сигнала, первый блок аналоговых ключей, первый блок задатчиков весовых коэффициентов, второй блок аналоговых ключей, первыйсумматор, первый преобразователь Напряжение-частота, первый счетчик импульсов и первый блок регистрации,50 а также последовательно соединенные генератор функций Уолша синусоидального сигнала, третий блок аналоговых ключей, второй блок задатчиков весовых коэффициентов, четвертыйч ч 55 блок аналоговых ключеи, второи сумматор, второй преобразователь напря" жение-частота, второй счетчик импульсов и второй регистратор, а 6 18также блок заданил интервала интегри- рования, третий блок задатчиков весовых коэффициентов и две группы блоков умножения, причем соответствующие выходы первого генератора функций Радемахера подключены к соответствующим входам генератора функций Уолша синусоидального сигнала и входу блока задания интервала интегрирования, выход которого подсоединен к управляющим входам второго и четвертого блоков аналоговых ключей, соответствующие входы третьего блока весовых коэффициентов соединены с соответствующими выходами первого генератора Функций Уолша синусоидального сигнала, а выходык выходам устройства, вход устройства подсоединен к управляющим вхо дам первого и третьего блоков аналоговых ключей и первым входам первой и второй групп блоков умножения, соответствующие входы первого и второго сумматора подключены к выходам соответствующих групп блоков умножения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения частотных характеристик, введены задатчик режимов, две группы блоков логики, по числу частотных гармоник, цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные делитель с постоянным коэффициентом деления, делитель с переменным коэфФициентом деления, генератор функций Радемахера, подсоединенный соответствующим выходом к первым входам соответствующих групп блоков логики и генератора Функций Уолша, синусоидальные выходы которых соединены с шестыми входами первой и второй группы блоков умножения, косинусоидальные - с седьмыми входами первой и второй групп блоков умножения,причем входы делителей с постоянным коэффициентом деления соединены с выходом генератора частоты, выход первого генератора функций Радемахера подключен к вторым входам групп блоков логики, выход блока управления - к входу генератора частоты, второму входублоков задания интервала интегрирования и третьим входам групп блоков логики, выходы пер" вой группы блоков логики - к четвертым входам первой и второй групп блоков умножения, выходы второй группы блоков логики - к пятым входам первой и второй групп блоков