Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического управления и регулирования

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (11) 8 1) 4 С 05 В 23 0 АНИЕ ИЭОБРЕТ Я етельство СССР В 23/02. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащее последовательно соединенные первый множительный блок, первый интегратор, второй множительный блок и первый сумматор, последовательно соединенные третий множительный блок, второй интегратор и четвертый множительный блок, выход которого соединен с вторым .входом первого сумматора, блок зоны нечувствительности, датчик частоты, первый индикатор, вход которого соединен с выходом первого интегратора, и второй индикатор, вход которого соединен с выходом второго интегратора, второй вход второго множительного блока и вход датчика частоты подключены к первому выхо-. ду генератора синусоидальных колебаний, а второй вход четвертого множительного блока соединен с вторым выходом генератора, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, улучшения помехозащищенности и повышения точности устройства, оно содержит первый аттенюатор, последовательно соединенные второй аттенюатор, второй сумматор и первый фильтр, последовательно соединенные первый блок коррекции усиления, управляемыи усилитель, второй блок коррекции усиления и третий интегратор, а также первый и второй управляющие элементы, второй и третий фильтры, причем выход первого аттенюатора соединен с входом исследуемой системы, информационный вход - с первым выходом генератора синусоидальных колебаний, управляю щи й вход - с выходом первого управляющего элемента, который соединен также с управляющим входом второго аттенюатора и вторым входом управляемого усилителя, вход второго аттенюатора соединен с выходом первого сумматора, а выход - с вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом исследуемой системы, выход первого фильтрасоединен с входом блока зоны нечув З ствительности, выход которого соединен с первым входом первого блока коррекции усиления, второй вход последнего соединен с выходом датчика частоты, третий вход - с выходом второго управляющего элемента, соединенного также с третьим входом вто рого блока коррекции усиления, второй вход которого соединен с выходом датчика часМаи тоты, выход управляемого усилителя соединен с первыми входами первого и третьего множительных блоков, второй вход пер- (ф вого множительного блока соединен с выходом второго фильтра, вход которого соединен с вторым входом второго множительного блока, а второй вход третьего мно жительного блока соединен с выходом треть- Я) его фильтра, вход которого соединен с вторым входом четвертого множительного блока, выход третьего интегратора соединен с третьим входом первого сумматора.25 3035 40 45 50 Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам для исследования и контроля систем автоматического управления и регулирования (САУ и Р) и предназначено для определения частотных характеристик (ЧХ) автоматических систем и их функциональных узлов.Целью изобретения является расширение области применения, улучшение ломехозащищенности и повышение точности устройства. 10На фиг, 1 приведена структурная схема устройства для определения частотных характеристик САУ и Р; на фиг. 2 и 3 графики процессов подстройки идентификаторов ЧХ при отсутствии компенсации постоянной составляющей и при введении такой компенсации.Устройство содержит четыре множительных блока 1 - 4, три интегратора 5 - 7, два сумматора 8 и 9, два аттенюатора 10 и 11, три фильтра 12 - 14, блок 15 зоны нечув ствительности, два блока 16 и 17 коррекции усиления, управляемый усилитель 18, датчик 19 частоты, два индикатора 20 и 21 и два элемента 22 и 23 управления. Кроме того, на фиг. 1 показана исследуемая САУ и Р 24 и генератор 25 синусоидальных колебаний, Вход исследуемой САУ и Р 24 соединен с выходом аттенюатора 10, а выход - с первым входом сумматора 9, выход которого через последовательно соединенные фильтр 12, блок 15 зоны нечувствительности, первый блок 16 коррекции усиления и управляемый усилитель,18 подключен к первым входам первого и третьего множительных блоков и к первому входу второго блока 17 коррекции усиления, выход которого через интегратор 7 подключен к третьему входу сумматора 8, Выход множительного блока 1 через последовательно соединенные интегратор 5 и множительный блок 2 подключен к первому входу сумматора 8, выход множительного блока 3 через последовательно соединенные интегратор 6 и множительный блок 4 подключен к второму входу сумматора 8, выход которого через аттенюатор 11 соединен с вторым входом сумматора 9. Первый выход генератора 25 подключен к входу датчика 19 частоты, к второму входу множительного блока 2 и через фильтр 13 - к второму входу множительного блока 1 второй выход генератора 25 с фазой колебаний, отличной от фазы колебаний первого выхода на л/2, подключен к второму входу множительного блока 4 и через фильтр 14к второму входу множительного блока 3, Вход индикатора 20 соединен с выходом интегратора 5, а вход индикатора 21 с выходом интегратора 6. Выход датчика 19 частоты соединен с вторыми входами блоков 16 и 17 коррекции усиления, третьи входы которых соединены с выходом управляющего элемента 22, а управляющие входы аттенюаторов 10 и 11 и управляемого усилителя 18 соединены с выходом управляющего элемента 23.Принцип действия устройства основан наавтоматической компенсации установившегося на выходе САУ и Р сигнала Хвоях,Выходноьсигнал исследуемой САУ и Р подается напервый вход сумматора 9, на второй входкоторого поступает компенсационный сигнал,получаемый на выходе сумматора 8 путемсложения сигналов аз 1 пм 1 и аЯсовы 1,Хк=а Рв 1 по 1+ аЦсовю 1.При несовпадении оценок Р и (,) с истиннымизначениями измеряемых ЧХ Р(ы) и фы)ошибка е компенсации на выходе сумматора 9, не равная нулю, проходя черезфильтр 12, блок 15 зоны нечувствительности, блок 16 коррекции усиления и управляемый усилитель 18, поступает на входымножительных блоков 1 и 3. В результатедетектирования ошибки в сигналами аАср)((ы)з 1 п ы 1+ ср) и аА(ы) сов и 1 + срч,Х (и), где Ар(м) и срф(ы) - амплитудночастотные характеристики фильтров 13 и 14,на выходах блоков 1 и 3 образуются сигналы, постоянные составляющие которых пропорциональны разностным ошибкам Ров- Р и Яы - Я. Поступая далее на входыинтеграторов 5 и 6, эти сигналы вызываютподстройку оценок Р (на выходе интегратора 5) и О (на выходе интегратора 6),изменяя компенсационный сигнал ХК == а Р з 1 п Ы + а Ясозы 1 таким образом, чтобы уменьшить ошибку е компенсации вплотьдо нуля, При обнулении ошибки в обнуляются детектирующие сигналы на входах ин-теграторов 5 и 6, и процессы измеренияЧХ на этом заканчиваются, Показания индикаторов 20 и 21 фиксируют в это времязначения, равные значениямЧХ исследуемойСАУ и РР = Р(ы); Я = Я(ы),Для обеспечения возможности изменения амплитуды синусоидального воздействияна входе САУ и Р в устройство введеныаттенюатор 10, компенсирующий его влияниена невязку е аттенюатор11, коэффициенты ослабления которых меняются идентично, и дополнительный сумматор 8. Учитывая, что сигнал на выходе САУ и Р с введением аттенюатора 10 изменяется в 1 раз= ай Раыпа 1 + Яв 1 созЫ -- аМРзта 1+ Ясовв 1 = ай(Ра) -- Р) ыпш 1 + Я(ы) - Я) созЫ, (1)откуда следует, что какова бы ни была амплитуда синусоидального воздействия на входе САУ и Р (т. е. каково бы ни было значение 1), при равенстве нулю невязки евсегда соблюдаются равенстваР=Р(а,ы); Я= фа,ы).Таким образом, благодаря введению в устройство двух синхронно работающих аттенюаторов оценки Р и Ц ЧХ САУ и Р не зависят от амплитуды входного воздействия. Однако изменение коэффициента 1 в этом случае приводит к изменению в 1 раз амплитуды ошибки в компенсации, что, в свою очередь, вызывает существенное ухудшение динамических свойств подстройки идентификаторов Р и Ц. Для устранения влияния аттенюаторов на динамические характеристики устройства в него введен управляемый усилитель 18, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально изменению коэффициента 1 ослабления аттенюаторов (усилитель 18 может быть реализован, например, в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого подключен аттенюатор, идентичный первым двум; при этом коэффициент усиления такого усилителя пропорционален величине 1/1), Для точной реализации соотношения (1) и стабилизации динамических свойств устройства необходимо обеспечить одновременное идентичное изменение коэффициентов ослабления аттенюаторов и обратное им изменение коэффициента усиления управляемого усилителя. Это достигается тем, что аттенюаторы 10 и 11 и усилитель 18 управляются одним и тем же управляющим элементом 23, реализуемым, например, в виде единой ручки строенного потенциометра.С целью дополнительного повышения помехозашищенности в схему устройства в цепь после сумматора 9, на выходе которого формируется сигнал ошибки в компенсации, введен фильтр 12 (например, колебательное звено с передаточной функцией вида %фар)= рВ1 -1, реализуемое на операционном усилителе с активно-емкостными обратными связями). Введение только одного этого фильтра в схему прототипа нарушило бы его работоспособность, так как невязка после фильтрации имеет видв = акр(и) (Р(а) - Р)зт(щ 1+ рр) + Я(ы)- - Я соя(и 1 + рф, (2) а детектирующие сигналы а япв 1 и асозы 1 на вторых входах соответствующих множительных блоков 1 и 3 не изменялись бы аналогичным образом по фазе и амплитуде. Можно показать, что с ростом величины рф, которая изменяется в функции частоты ю, динамика процессов идентификации ухудшается вплоть до потери устойчивости. Для устранения этих явлений в схему устройства введены дополнительные фильтры 13 и 14, обеспечивающие динамическую коррекцию детектирующих сигналов, аналогичную фазовым и амплитудным изменениями ошибки в компенсации во всем диапазоне частот ы. Схема фильтрации из трех фильтров обеспечивает работоспособность устройства в любом диапазоне частот. Именно такая схема фильтрации позволяет выбирать структуру и параметры фильтра 12 исходя только из условия гарантированного подавления поме хи 1 х (1). Устойчивость процессов идентификации ЧХ САУ и Р обеспечивается автоматически с любыми типами фильтров.Уменьшению влияния помех (в частности, нескомпенсирова нных высших гармоник) способствует также введение регулируемого блока 16 коррекции усиления. Как показывают исследования, нескомпенсированные высшие гармоники выходного сигнала существенно нелинейной САУ и Р приводят к возникновению установившихся колебаний оценок Р и ф ЧХ около истинных значений. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем больше уровень такого рода помехи и чем больше эквивалентный коэффициент усиления Х в каналах автоматической подстройки оценок 1 и Я. Изменяя коэффициент усиления Х, можно обеспечить необходимую точность определения ЧХ САУ и Р. Поскольку наличие тех или иных гармоник и их амплитуды определяются конкретными нелинейностями, содержащимися в исследуемой системе, необходимая коррекция коэффициента усиления может быть осуществлена оператором при работе с реальной САУ и Р. Блок 16 коррекции усиления, таким образом, должен, во-первых, как и множительный блок в прототипе, обеспечивать увеличение коэффициента Х пропорционально текущему значению ю и, во-вторых, допускать регулировку коэффициента усиления оператором. Это расширяет область применения устройства, позволяя исследовать существенно нелинейные САУ и Р и повыпает точность определения ЧХ. Данный блок может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных множительного блока, осуществляющего пропорциональную коррекцию коэффициента Х по частоте, и аттенюатора, предназначенного для произвольной регулировки коэффициента уси ления вручную. В случаях, когда к устройству в целом не предъявляется высоких требований по быстродействию идентифика ции ЧХ, допустима упрощенная реализация блока коррекции усиления в виде последовательно соединенных аттенюаторов. Один из них служит для дискретной коррекции коэффициента усиления по диапазонам частот, на которые разбивается вся рабочая область частот устройства, а другой используется оператором для индивидуальной коррекции эквивалентного коэффициента усиления 1,. Оператор в данном случае выполняет функции датчика частоты, переключая первый аттенюатор по диапазонам частот,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Влияние постоянной составляющей на точность получаемых результатов устраняется введением в устройство дополнительного контура компенсации, содержащего интегратор 7 и блок 7 коррекции усиления. При этом алгоритм подстройки оценок ЧХ, который может быть получен градиентным методом, имеет видРЯ = давяпЫД(1) = Хавсояо 1,л Ф)= - С в (3)где С - сигнал на выходе интегратора 7, компенсирующий постоянную состав.ляющую Сю, присутствующую в ошибке в компенсации;Х, - общий коэффициент усиления контура компенсации;в = Хых(1) - цЯипа 1 - , аЯсозв 1 - С == а(Р(в) - Р"1 япЫ+ аею) - Ф ХХ созв 1+ Со - С,При любых (Рд), О(цу) и Со ошибка компенсации будет тождественно равна нулютолько при выполнении соотношенийР = Р(а) 0 = фв); С = Со, (4)т. е. настраиваемые по алгоритмам (3) параметры Р и Я действительно представляют собой оценки ЧХ, а величина постоянной составляющей Со компенсируется сигналом в.Из графиков на фиг. 3 видно, что приналичии контура компенсации постоянной составляющей Со полностью устраняется влияние Со на работу устройства. Введение блока 17 коррекции усиления в цепь компенсации постоянной составляющей связано собеспечением постоянных динамическихсвойств этого контура. Ликвидация постоянной составляющей Со в ошибке в компенсации, формирующейся на выходе сумматора 9, происходит в соответствии с передаточной функциейбв ТрС,(р) тр+ 11где Т= -- -;Ллс фХ - переменный эквивалентный коэффициент усиления каналов подстройки Р и Я, реализуемый блоком 16 коррекции усиления; Х, - коэффициент усиления блока 17 коррекции усиления.Без блока 17 коррекции (когда Х, = 1)время списывания постоянной составляющей Со зависит от переменного коэффициента усиления Х. при малых Х оно может быть неоправданно большим и существенно увеличивать время, необходимое для определения ЧХ САУ и Р. Если же ввести блок 17 коррекции усиления и обеспечить изменение его коэффициента усиления Х, обратно пропорционально коэффициенту усиления Л в блоке 16, т. е. приХс= -- ,ЗоЛ15где Ао = сопз 1,то постоянная времени Т становится постояннойТ = Л - -- сопз 1.Ло20 Это означает, что постоянная составляющаяСо в ошибке в компенсации всегда устраняется за одно и то же заранее заданное время.Блок 17 коррекции усиления может бытьреализован, например, в виде операционного усилителя, в обратной связи которого установлены последовательно соединенные множительное устройство, другой вход которого соединен с датчиком частоты, и аттенюатор, управляемый синхронно с аттенюатором в блоке 16 коррекции усиления одним и тем же элементом 22 управления. Элемент 22, позволяющий оператору произвольно изменять коэффициент усиления Х в контуре подстройки оценок ЧХ и обратно пропорционально ему коэффициент усиления Х, в блоке 17 коррекции усиления, может быть выполнен, например, в виде ручки сдвоенного потенциометра,. Верес Корректор62 Подписноного комитета СССРений и открытийРаушская наб., д. 4/5Ужгород, ул. Проектная