Устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик систем автоматического регулирования

СОЮЗ СОВЯТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ЯО 1273841 б 94 С 01 127ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ СВ А.И.часеских1963,(21) 3863927/24-21(71) Ростовский государственный ордена Трудового Красного Знамени университет им. М.А.Суслова(56) Даровский Л.Н. Определение частотной характеристики при помощи решающих блоков электронной модели. Автоматика и телемеханика, 1962, Р 2 с. 244.Вавилов А.А., Солодовников Экспериментальное определение тотных характеристик автоматич систем. М.: Советское радио,с. 115, фиг. 2.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (57) Изобретение может быть использовано в устройствах для определения вещественной и мнимой частотных характеристик систем автоматического регулирования. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение частотного диапазона. Гармонические сигналы з.пн 1 и совем с выхода генератора 1 подаются на блок настройки делителей напряжения 6-20 и на входы управляемых делителей напряжения 3, 4. Сигнал зпъ 3 е подается на ЯЪф объект 2. С выхода объекта 2 и с выходов управляемых делителей напряжения 3, 4 сигнал поступает на сумма-1273841 ная схема устройства. 1 О соединен с вторым входом первого пеУстройство содержит генератор 1 гармонических колебаний с выходами, сдвинутыми по фазе на 90, исследуемый объект 2, первый и второй управремножителя 8, с первым входом седьмого перемножителя 20 и с входом первого квадратора 19, выход которогосоединен с входом третьего иитеграляемые делители Зи 4 напряжений, пер 1 Э тора 14выход которогд соединен с вый сумматор 5, первый и второй ин- вторывходом третьего перемножите-, теграторы 6 и 7, первый 8, второй 9 ля 10. Выходы пятого и шестого перетретий 10, четвертый 11, пятый 12 множителей 12 и 13 соединены сооти шестой 13 перемножители, третий инветствевио с первым и вторым входами тегратор 14, второй сумматор 15, чет- Ю,третьего сумматора 17, выход которосоединен с вторым входом шестого перемножителя 13. Выходами устройства являются выходы первого и второго интеграторов 6 и 7.Устройство работает следующим обтор 5. Блок настройки делителей такизменяет напряжение на управляемыхвходах делителей 3, 4, чтобы напряжение на выходе сумматора 5 было минимально. Введение перемножителей8-13, интеграторов 6, 7, 14, 16 и 18,Изобретение относится к электро- измерениям и может быть использовано для определения вещественной и мнимой частотных характеристик систем автоматического регулирования.Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение частотного диапазона.На чертеже приведена функциональвертый интегратор 16, третий сумматор 17, пятый интегратор 18, первый квадратор 19, седьмой перемножитель 20, второй квадратор 21.Выход с нулевой фазой генератора 1 гармонических колебаний соединен с входом исследуемого объекта 2,сигнальным входом первого управляемого делителя 3 напряжений и первымивходами третьего и пятого перемножителей 10 и 12.Выход с Фазой, сдвинутой на 90 генератора 1 гармонических колебаний соединен с сигнальным входом ", второго управляемого делителя 4 напряжений и с первыми входами четвертого и шестого перемйожителей 11 и13. Выходы управляемых делителей 3 и4 напряжения и исследуемого объектасоединены соответственно с тремя входами первого сумматора 5, выход которого соединен с первыми входами первого и второго перемножителей 8 и 9,выходы которых соединены соответстсумматоров 15 и 17, квадраторов 19и 21 обеспечивает устройству способность вычислять мнимую и действительную части комплексного модуля коэффициента передачи с любой наперед заданной погрешностью, 1 ил. венно с входами первого и второго интеграторов 6 и 7, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно первого и второго управ ляемых делителей 3 и 4 напряжения.Выходы третьего и четвертого перемножителей 10 и .11 соединены соответственно с первым и вторым входами вто" рого сумматора 15, выход которого. го соединен с вторьа входом второгоперемножителя 9, входом второго квадратора 21 и вторым входом седьмого перемножителя 20, выход которого сое динен с входом четвертого интегратора 16, выход которого соединен с вторыми входами четвертого и пятого перемножителей 11 и 12. Выход второгоквадратора 21 соединен с входом пя- ЗО того интегратора 18, выход которого разом.Гармоническое напряжение эхтьй свыхода с нулевой фазой генератора 1 подается на вход управляемого дели- ,О теля 3 напряжения, на входы перемножителей 10 и 12 и на вход исследуемого объекта 2. Напряжение созови с выхода с фазой, сдвинутой на 90, генератора 1 подается на вход управ(3 еет 2 Мнимая часть ыражения вид/г (13)/ я 1 Пхай , Я 1 пцй+С соЯ 0 Ая 1 п.с+ВсоьдС, г (1 х 1) сов Ч + С,; /г(Ы) в 1 п Ч+ С,.яжение подается на ремножителей 8 и 9 ды которых подаются пряжения де АВ =то напходы и 1 П(6 Всояц 3 С = О. вые и части ралюбом текущев том слуа так каки В = евле ст ыражен енства на вт оотве лю притольк В.=О, С О рые в венио ачении в емени чае, если А = О А = .1 г (Ы) / сов ч/г(Ы) я 1 пЧ + дуют соотношени отсюда слпо 3 ссоя 3 1273 ляемого делителя напряжения 4 и на 1входы перемножителей 11 и 13, На выходах управляемых делителей 3 и 4 напряжения ормируются напряжения С, в 1 пд и С совй, где С, и С - управлякицие напряжения, полученные на выходах интеграторов 6 и 7. На выходе объекта 2 присутствует напряжение, которое в комплексной форме имеет вид 1 О ц 1+Ч)у(С) /г(Ы)е Складываясь с выходными напряже ми управляемыхделителей Зи 4,на вых умматора 5 формируется напряжение3о я Ч+ / г ( 1 о 3) / с о я хс я 1 пЧ+ К = Ов 1 пц)С + О, сояюдГК = О я 1 пцй + О соьЭТ2 22 снимаемыес выходов сумматоров 17 (здесь О , О, , О , и О н рые коэФфициенты, называняциеся ментами дисперсионной матрицы метра С) . Произведения Е К, и Е держат постоянные составляющие ЕК;щ(Аз 1 пй+Всозоэс)(О Я 1 псд+Р,=АО я 1 п 2 хд С+ВО, сояоЗ С+ (ВО+АО,х выъссоадС; Постоянные составляющие содержатчлены АО в 1 п 2 Ы+ВО соя, Г и2 АО 2, я 1 п 3 + ВО соя 3. Перемножители 8 и 9 выполняют функцию синхронных детекторов, для которых управляющим напряжением служит выходное напряжение сумматоров 15 и 17, а входным напряжением - напряжение Я . Постоянные составляющие с выходов перемножителей 8 и 9, воздействуя на входы интеграторов 6 и 7, вызывают убывание напряжения С и С на их выхо 2дах (учитывая инверсию напряжения интегратором). Это приводит к уменьшеФ нию выходного напряжения Е сумматора 5, что в свою очередь ведет к уменьшению постоянных составляющих на выходах перемнолителей 8 и 9, а это способствует еще большему уменьшению С, и С и т,д. до тех пор, пока напряжение Е на выходе сумматора 5 не станет равным нулю и соответственно не станут равны нулю выходные напр жения перемножителей 8 и 9, а напр жения С и С не примут значениях о, что С, и С принимают данные энаения, видно, если приравнять выраение (4) нулю Обнуление левой части равенства (6) при условии А = О и В = 0 происходит при любом значении Т и, следовательно, при любом я 1 пй и соя., Дело в том, что при некоторых фиксированных значениях времени С;1, 2, ,и левая часть выражения (6 а следовательно, и Е равны нулю, даже если А 10 и В 10, но поскольку в контуре настройки присутствует интег ,ратор, контур не может мгновенно отреагировать на скачкообразное обнуление Е в моменты времени г., следовательно, настройка контура, ведется только при условии сходимости1273841 3С - -г(и соз(р и С - - г(Ы) эапцг Сг = Кгег(1 иС, = Ке г(Ы)1,а С = 1 шг(Ы)1 Таким образом, выходные напряжения С,и С интеграторов б и 7 при обнулении выходного напряжения сумматора 5в точности равны мнимой и действительной, частям комплексного модулякоэффициента передачи. Устройствопредназначено для работы в областинизких и инфранизких частот, поэтомупри необходимости снять зависимостькомплексного модуля гО от частотыизмерения необходимо нести по рядуфИКСИРОВаННЫХ ЧаСтст с,(У) и 3,находя каждый раз С и С и вычисляя1(8)и фазовый сдвиг Ч)= агсд -, КакС,на вторые входы пере 9 подаются напряженияем40+ 0 , 1, Вг 1 и П выбраны так, чтоУ И У (е 1 чабы значения параметров С, и С былиоптимальными, т,е, близкими к истина 45ным значениям С, и С . В этом планеустройство можно рассматривать, какдвухпараметрическую самонастраивающуюся модель, которая изменяет в процессе настройки свои параметры тачтобы минимизировать дисперсию оц было показано, множителей 8 и К = Р з 1 п(д1 1 = 1)ч 1 эпо + П в квадраты выраженийсуммировании получа и возведен.пгР= Кг е выражения (8)м После делени жение (7) им йпЧ) созФ к, еэтих параметМодель объект ет вид В ев с учетом принимае случае шг(Ы(.) С(с),е г(Ь 4 ерный вектор одели (в дан скаляр); де хп ых случа 11 о достижении этих значений процесснастройки заканчивается и устройствоподдерживает значения напряжений С,и С до тех пор, пока не изменитсялибо амплитуда или частота входного. напряжения, либо не изменятся постоянные времени объекта 2. При этомсистема перестроится на новые значе 1 1ния С и С и снова придет в состояние равновесия.Обеспечить процесс сходимости настройки не трудно, так как если он отсутствует,достаточно поменятьфазу напряжения в одном или обоих контурах, образованных делителем напряжения 3, сумматором 5, перемножителем 8, интегратором б (один контур), а также делителем 4 напряжения, сумматором 5, перемножителем 9, интегратором 7 (вто,рой контур).Полученные таким образом значенияпараметров С, и С равны действительной и мнимой частям комплексного модуля коэффициента передачи,Действительно, если подстави ь в выражения (5) вместог(Ы) его выражение (2), то ажения (3) это выражение Таким образом, получена система двухуравнений с двумя неизвестными ЬС + С = Кег(3.с( + 1 гшг(д(у;С ч 1 шг Ы(ФС 1 КеТг (з.о.После подстановки в первое уравнениевместо С его выражения из второгоуравнения 1 шг(д( С =тС 1 ОКе г( )С+ - - - т -- Сг =Кг е г(Ы) +1 гш г(з 9)е1 гш г(хцКег(15 Рещение этого уравнения относительноС, имеет вид" П П" П П з 1 поп.П 0 создай т% созоС созе Пз 1 пи 3 с+П, совий) 2 (Пз 1 пцй+П, созо)1) (П,д з 1 поХ+созий) )) (П з 1 п 1 + П со яОЭ Пр з 1 пю)1 + П совий 7С г - вектор оценок параметров модели (в данномслучае двухмерный векторС,С);г(С) - в общем случае матрица(гхп) физически реализуемых базисных операторов (в данном случае этовектор зхпюТ, созФ 1). Если х(С) выходное напряжение объек О та то вектор рассогласования Е имеет вид где- момент времениМожно показать, что минимизация по С с = е ("Пзхп + 0,2 Выполнив операцию векторно-матричноВторое уравнение данной системы решается в контурах: управляемый дели тель 3 напряжения, сумматор 5, пере- множитель 8, интегратор 6 (находится С,), далее управляемый делитель 4 напряжения, сумматор 5, перемножнтель 9, интегратор 7 (находится С.). Как 40й было показано, для настройки этих контуров используются напряжения К,=П, з 1 пдС + 011 созес и Кй= П з 1 пц+ + П совий, которые получены в результате решения первого уравнения системы (9),Решение уравнения П (й) = -(П зиппо)г + П соз йс) осуществлятется в первом контуре, образованном перемножителем 10, сумматором 15, 50 квадратором 19 и интегратором 14. На входе этого контура (первый вход перемножителя 10) подается напряжение выпий с выхода генератора 1. На дру" гой вход этого контура (второй вход 55 сумматора 15) подается напряжение П, созо 1 С с выхода перемножителя 11. Решение уравнения П (С)=-10 запой+ сгквадратичной форме 1(С):(-С(о(" 11 приводит к систе диф ференциальных уравнений, реализующих алгоритм вычисления параметров С (напряжения С, и С ) по методу наименьших квадратов. В общем виде система имеет видП(1) = -0(С)гКг П(С)С = 0 г(С) КЕ(е)где К - обратная матрица взаимной интенсивности шумов. Для двухмерной модели, учитывая, что г, = апой,. г = совий а также что П т П сйсУ Ф л ф тема уравнения имеет вид го умножения, получаем систему+П созо 1 С) осуществляется во втором контуре, образованном перемножителем 13, сумматором 17, квадратором 21 и интегратором 18. На вход этого контура (первый вход перемножителя 13) подается напряжение созЗС с выхода генератора 1. На другой вход этого контура (второй вход сумматора 17) подается напряжение П, зиЛ 1: с выхода 1перемножителя 12,Решение уравнения П (С) =0 (й) =-(П зпъд 1+П, совий)св (0з 1 а 4+Пд созет)осуществляется в третьем и четвертомконтурах, образованных перемножителем11, сумматором 15, перемножителем 20,интегратором 16 (третий контур) и перемножителем 12, сумматором 17, перемножителем 20 и интегратором 16 (четвертый контур) . На входы этих контуров (входы перемножителя 20) подаются напряжения П, зпъ 3 с+П, созо 3 с (свыхода сумматора 15) и 0зпо 3 с+12 3841 10 Тираж 728 Подписное Ужгород, ул, Проектная, 4 которые являются результатом решения первых двух кентуров. Перед началом работы на интеграторах 14, 16, 18 задаются начальные значения Р (О), Р 2 (О), Р, (О) = Р, (О) таким образом, чтобы РР Ф Р Р, что обесП 2 12 21 ф печивает сходимость алгоритма наст" ройки. После этого начинается процесс настройки. В контурах, образованных управляемыми делителями напряжения 3,10сумматором 5, перемножителями 8, 9, а интеграторами 6, 7 настраиваются параметры С, и С и одновременно.с этим в контурах с первого по четвертый настраиваются коэффициенты Р , 15 Р 22, Р, = Р,2, процесс настройки аналогичен процессу в первых двух контурах и поступает в контуры, настраивающие С, и С , Это приводит к тому, что С, и С в любой фиксированный момент С принимают оптимальные в статистическом смысле значения, Постоянные времени в контурах подбирают так,чтобы настройка Э, Р 22 Р 21 Ц. происходила более медленно, чем С и 25 С , что обеспечивает устойчивость2 фсходящегося процесса.КоэФФициенты Р , РР 2 Р,2 вносят поправку в определение С, и С 2 такую, чтобы скомпенсировать пог- З 0 решность определения С, и С , вызванную наличием шумов генератора, неидеального синуса и косинуса, а также погрешностями интеграторов и перемножителей. Это достигается тем, что в процессе настройки идет постоянная статистическая обработка сигналов с выходов генератора и объекта. При этом чем больше время й (время обработки инФормации), тем более близкими к истинным значениям С, и С будут реальныепараметры С и СТаким образом, предлагаемое устройство способно вычислять мнимую и действительную части комплексного 45 модуля коэффициента передачи с любой наперед заданной погрешностью. Формула изобретенияУстройство для измерения амплитуд-. но-частотных характеристик систем автоматического регулирования, содержащее генератор гармонических колебанийо с выходами, сдвинутыми по фазе на 90, два управляемых делителя напряжения, сигнальные входы которых соединены 55 соответственно с выходом с нулевойВНИИПИ Заказ 647 1/42 Произв.-полигр. пр"тие, г. фазой и с выходом с фазой, сдвинутой на 90, генератора гармонических колебаний, исследуемый объект, вход которого соединен с выходом с нулевой фазой генератора гармонических колебаний, первый сумматор, три входа которого соединены соответственно с выходами управляемых делителей напряжения и исследуемого объекта, о т -л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений ирасширения частотного диапазона, введены семь перемножителей, пять интеграторов, второй и третий сумматоры идва квадратора, причем выходы первого и второго перемножителей соединеныс входами соответственно первого ивторого интеграторов, выходы которыхявляются выходами устройства и соединены с управляющими входами соот-.ветственно первого и второго управляемых делителей напряжения, первыевходы первого и второго перемножителей соединены с выходом первого сумматора, первые входы третьего и пятого перемножителей сбединены с выходом с нулевой фазой генератора гармонических колебаний, а первые входычетвертого и шестого перемножителейсоединены с выходом с фазой, сдвинутой на 90, генератора гармоническихколебаний, выходы третьего и четвертого перемножителей соединены состветственно с первым и вторым входамивторого сумматора, выход которогосоединен с вторым входом первого перемножителя, первым входом седьмогоперемножителя и входом первого квадратора, выход которого соединен свходом третьего интегратора, выходкоторого соединен с вторым входомтретьего перемножителя, выходы пятого и шестого перемножителей соединены соответственно с первым и вторымвходами третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом второго перемножителя, входом второгоквадратора и вторым входом седьмогоперемножителя, выход которогб соединен с входом четвертого интегратора,выход которого соединен с вторымивходами четвертого и пятого перемножителей, выход второго квадратора соединен с входом пятого интегратора,выход которого соединен с вторымвходом шестого перемножителя.