Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования

сд Мффд .Е яффамУ зНЗОБР Пн Йя й 11) 443366(32) ПриоритетОпубликовано 15.09.74, Бюллетень34Дата опубликования описания 04.06.75 Государственный ноынтет Совета Министров СССР по делам изобретенийи открытий, А. Романов,дин 71) Заявите 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЬХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГОРЕГУЛ И РО ВА Н ИЯ 2 Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано для определения линеаризованных частотных характеристик, мнимои и действительной их составляющих и высших гармоник выходных сигналов линейных и нелинейных двухкоординатных систем автоматического регулирования, например различных типов угломерных двухкоординатных следящих систем.Известное устройство для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования содержит три переключателя, генератор опорных сигналов и генератор первой гармоники, соединенные с исследуемой системой через второй переключатель, индикаторы, первый и второй синусно-косинусные потенциометры, соединенные с генератором опорных сигналов и через первый и второй суммирующие усилители, первый и второй фильтры - с первыми входами блоков умножения, вторые входы которых через первый переключатель и третий фильтр подключены к выходам исследуемой системы, выход первого блока умножения через четвертый фильтр соединен с измерителем фазы и через усилитель - с двигателем, а через первып квадратор - с сумматором, Выход второго блока умножения через пятый фильтр и второй квадратор связан с сумматором, подключенным к нелинейному блоку извлечения квадратного корня, выход которого и выходы сумматора и пятого фильтра через третий переключатель соединены с индикатором амплитуд, Роторы 5 всех потенциометров через редуктор соединены с двигателем.Известные устройства для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования имеют сравнительно узкий 0 динамический и частотный диапазон, громоздки, сложны в эксплуатации и не позволяют производить замеры параметров комплексных частотных характеристик двухкоординатных систем, ее мнимой и действительной составля ющих и степени перекрестных связей междуканалами. Кроме того, известные устройства не позволяют производить замеры необходимого числа высших гармоник и замер частотных характеристик по основной гармонике на 20 высоких частотах, а наличие помех и значительных постоянных составляющих в измеряемом сигнале ухудшает точность замера параметров.Предлагаемое устропство отличается от из вестных тем, что содержит третий синусно-косинусный потенциометр, движки которого связаны с индикаторами амплитуд действительной и мнимой составляющих характеристики и с редуктором, а неподвижные клеммы сос динены со входом индикатора амплитуд, одна510 15 20 гг 30 35 40 45 50 55 60 65 непосредственно, а другая - через инвертирующий усилитель.Такое выполнение устройства позволяет расширить функциональные возможности.На чертеже представлена блок-схема предложенного устройства.Устройство работает следующим образом.Во всех режимах замера при определениичастотных характеристик по первой гармонике и высших гармоник синусный и косинусный выходы генератора 1 опорных сигналов соединены непосредственно и через инвертирующие операционные усилители 2 и 3 - с питающими входами синусных и косинусных потенциометров 4 - 7, которые образуют двухкоординатный фазосдвигающий блок (первый и второй синусно-косинусные потенциометры), статоры которых неподвижны и механически жестко соединены друг с другом и двумя синусными и косинусными потенциометрами 8 и 9. Выходы синусных и косинусных реостатов фазосдвигающего блока попарно от косинус- ного и синусного сигнала соответственно соединены с входами первого и второго суммирующих усилителей 10 и 11, выходы которых через первый переключатель 12 и через идентичные первый и второй фильтры 13 и 14 соединены с первыми входами блоков умножения 15 и 16, со вторыми входами которых через такой же третий фильтр 17 соединен выход исследуемой системы 18. Роторы синусных и косинусных потенциометров 4 - 7 механически соединены через редуктор с двигателем 19, управляющий вход которого через усилитель 20 и четвертый фильтр 21 электрически соединены с выходом первого блока умножения 15, с которым соединен и выход индикатора нуля фазы 22.Индикатор амплитуд 23 при этом соединенчерез пятый фильтр 24 с выходом второго блока умножения 16.Для одновременного замера мнимой и действительной составляющих частотной характеристики вход индикатора амплитуд 23 соединен непосредственно и через инвертирующий усилитель 25 с питающими обмотками дополнительных косинусного и синусного потенциометров 8 и 9 (третьего синусно-косинусного потенциометра), роторы которых механически жестко связаны с роторами потенциометров 5 - 7 фазосдвигающего блока. Электрический выход этих потенциометров соединен соответственно с индикатором 26 действительной и мнимой 27 составляющей частотной характеристики.Для замера амплитуд высших гармоник выходного сигнала выходы первого и второго блоков умножения 15 и 16, перемножающих исследуемый сигнал с опорными синусными и косинусными составляющими первого и второго суммирующих усилителей 10 и 11, сформированных из сигналов с выхода двух- координатного фазосдвигающего блока, соединены с индикатором амплитуд 23 через четвертый и пятый фильтры 21 и 24 с одинаковой 4постоянной времени, квадраторы 28 и 29, сумматор 30 и блок 31 извлечения квадратного корня,Для измерения параметров частотной характеристики по двум координатам входы блоков умножения 15 и 16 соединены с выходом исследуемой системы 18 по двум координатам н с выходами суммирующих усилителей 10 и 11 двухкоординатного фазосдвигающего блока через переключатель 12 и фильтры 13, 14 и 17. Фильтры устанавливаются для снижения влияния помех и постоянных составляющих на точность замера. На высоких частотах в случае наличия постоянной составляющей в исследуемом сигнале, когда сигнал по исследуемой гармонике достаточно мал, используются разделительные фильтры в цепях на входе блоков умножения 15 и 16, С их помощью происходит центрирование входных сигналов для блоков произведения, что позволяет производить значительное усиление последуемого сигнала по измеряемой гармонике, не выходя за линейную зону блоков произведения.В инфранизкочастотном диапазоне для повышения точности замера в шумах в качестве фильтров 13, 14 и 17 используются сглаживающие фильтры, причем для замера амплитуд они могут быть достаточно высокочастотными по сравнению с измеряемой частотой, чтобы не искажать сигналы на этой частоте, а при замере фазы для повышения точности замера они могут быть более низкочастотными, чем измеряемая гармоника. Введение идентичных фильтров одновременно в цепях исследуемого сигнала и опорного сигнала не требует дополнительной измерительной операции с целью исключения их влияния на замер частотных характеристик.Формирование следящей системы, отрабатывающей с помощью двигателя 19 положение роторов синусных и косинусных потенциометров 4 - 7 таким образом, что на выходе первого блока умножения 15 поддерживается постоянное напряжение, равное нулю, обеспечивает автоматизацию и необходимую точность замера частотной характеристики и ее действительной и мнимой составляющих. Одновременный замер действительной и мнимой составляющих при этом обеспечивается за счет использования косинусного и синусного потенциометров 8 и 9, статорами и роторами жестко связанных с потенциометрами фазосдвигающего блока и запитанных электрическим напряжением с выхода индикатора амплитуд 23. Такое соединение обеспечивает получение на индикаторах 26 и 27, подключенных к выходам синусного и косинусного потенциометров 8 и 9, действительной и мнимой составляющих чстототной характеристики, а на шкале 32 индикатора фазы 22 и индикаторе амплитуд 23 - составляющих фазы и амплитуды комплексной частотной характеристики.Применение двух задающих генераторов 1 и 33 с синусно-косинусными выходами и с пе 443366реключаемым на 180 синусньтм выходом позволяет производить замер комплексных частотных характеристик при положительной и отрицательной частоте воздействия и измерять амплитуды практически неограниченного числа высших гармоник двухкоординатных систем.Применение синусно-косинусных воздействий, обеспечивающих формирование положительной и отрицательной частоты комплексного воздействия, позволяет также выявить количественную степень перекрестной связи между каналами исследуемой двухкоординатной системы.Принцип действия устройства основан на автоматической компенсации фазового сдвига исследуемой системы 18 по соответствующему каналу (1 или 11) углом поворота роторов синусно-косинусных потенпиометров 4 - 7 фазосдвигающего блока, статоры которых неподвижны и жестко связаны между собой.На статоры синусно-косинусных потенциометров 4 - 7 подаются питающие напряжения с выхода генератора 1 опорных сигналов непосредственно и через инвертирующие усилители 2 и 3. От щеток синусного потенциометра 4, запитанного синусной составляющей генератора 1, и косинусного потенциометра 6, запитанного косинусной составляющей генератора 1, снимаются сигналы и суммирутотся на первом суммирующем усилителе 1 О, формируя на его выходе сигнал вида:т 7 сов - КУ соя (ото + ) - . КУ(соя И соя в ++ я 1 п ото я 1 п тт). (1)Аналогично с помощью косинусного потенциометра 5 и синусного потенциометра 7 на выходе второго суммирующего усилителя 1 формируется напряжениеУвт= КУ я 1 п (то 1:- ю) = КУ(я 1 п от 1соя р 1- Соя 0)т, я 1 П ю), (2)где тт - угол поворота относительно статоров, жестко связанных между собой роторов потенциометров 4 - 7, У - амплитуда напряжений опорного сигнала, снимаемого с выхода генератора 1 опорного сигнала, К - коэффициент усиления усилителей 10 и 11.Таким образом, на выходах усилителей 1 О и 11 двухкоординатного фазосдвигающего устройства формируются косинусные и синусные электрические сигналы, сдвинутые относительно синусно-косинусных сигналов генератора 1 опорных сигналов на угол тт.В режиме измерения частотных характеристик по первой гармонике синусные и косинусные электрические сигналы генератораопорных сигналов через второй переключатель 34 соединяются с электрическими входами первого и второго каналов двухкоординатной следящей системы 18,В этом случае путем одновременного подключения синусной и косинусной составляющих генератора 1 опорных сигналов (переклю 10(6) 65 15 20 25 ЗО 35 40 45 чатель 34 находится в положении 1) ко вхо. дам двмх геометрически взаимно перпендттк. лярных каналов двухкоординатной исследуе мой системы 8 обеспечивается задание комп. лексного входного воздействия вида У = Уел" = Усоя о 1+ тУяп ото, (3 где т - озна тает, .что воз тействие У ятп твприложено т:. перпендикулярному ка.налу по отношени о к воздействия .т соя о 1.Меняя знак синусной составляющей генератора 1, можно получить задание на взатттно перпендикулярные каналы следящих систем комплексного гармонического воздеттствия отрицательной частоты, т. с.У,;=.Уе ,=-тУ:соя ттт - тУ ятп ттт. (4)Создание положительной и отрицательной круговой частоты со для двухкоординатных систем имеет физический смысл и означает, что в этот случае положительный элемент и иногда связанный с ним чувствительный элемент двухкоордпнатной системы в случае воздействия С и Г соверптают круговьтс движения в плоскости по и против часовой стрелки.Сравнивая параметры частотной характеристики по фазг и амплитудс сигналотз выхода исследуемой системы в с, учас задания Г и У, можно опоеделпт степень несимметричности параметров частотной характеристики, зависятцей от пер,"крестнтях связей двухкоординатной системы.Действительно, из-за того, что двухкоординатная следящая система является в обцем случае нелинейной с сутцественными перекрестными связями, ее выходной сигнал по каждой координате ( или 1 в случае вышеописанного задания входных сттгналов (3) или (4) представляет бесконечную сумму гармоник, т. е. в случае входного сигнала У, на выходе первого и второго каналов имеются сигналы У,ы =А, яп(ттт 1+ ,)+ Е высшие гармоники,Увых,: Асоя М+ Р,) + Е высшие гармоникигде А Аг, трт и тр, - амплитуды и сдвиги фазывыходного сигнала двухкоординатной системы попервой и второй координате соответственно,Увы, и У,ы - выходные сигналы по первой и второй координате,В комплексной форме записи выходной сигнал может быть записан в виде: У,ы, =,У,ы;е- + Е высшие гармоники А соя (от+ ) +,.= агс 1 дА сои2 10 15 7где: живых, и с - амплитуда и фаза первойгармоники выходного комплексного сигнала исследуемой системы, равные соответственно 7 вых = А + А 2+ 2 А,А, СОЗ - + , - в2 В случае комплексных воздействий (3) и (4) фазовые сдвиги с 1), и с 2 и амплитуды А, и А 2 в двухкоординатных системах определяются как параметрами следящих систем каналов 1 и 11, так и перекрестными связями между ними.При задании входных воздействий (3) и (4) Увх или Увх, на входы двухкоординатной системы значения фазовых сдвигов ср, и с 2 и амплитуд А, и А 2 зависят от знака частоты комплексного внешнего воздействия (+ ц)По замеренным параметрам срь с 2, А, и А 2 можно получить значение комплексной выходНой КоорДИНатЫ живых И, СЛЕДОВатЕЛЬНО, КОМП- лексную частотную характеристику:у ( ) вых "к 1 (к : ес )выхУ,к вкДля замера параметров с у 2, А, и Л 2 сигналы живых, (переключатель 12 находится в положении 1) или сигналы Увых, (переключа. тель 12 должен находиться в положении 11) подаются при входе Увх, и затем Увх, через фильтр 17 на первые входы первого и второго блоков умножения 15 и 16. На вторые входы блоков умножения фазосдвигающего блока через первый и второй фильтры 13 и 14 соответственно подаются косинусные и синусные опорные сигналы, сдвинутые на угол ср. Фильтры 13, 14 и 17 идентичны друг другуи могут иметь передаточную функцию, например:юф, (р) =йилит, р + 1) (т р - 1)трфф (т,р+1)(т,р+1)Напряжения на выходах блоков умножения 15 и 16 для случая измерения сигнала живых, с выхода первого канала имеют вид;Сск, - Увых, (свГ+ 9+ 9 ф) -(10) 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 где: Уск, - напряжение выхода блока умножения 15,Уск, - напряжение выхода блока умножения 16,- фазовый сдвиг, вносимый фильтром Юф, в исследуемый и опорные сигналы на измеряемой частоте о.Фазовые сдвиги срф, входящие в оба сомножителя (10), при перемножении взаимно компенсируются и не порождают методическуюпогрешность прибора и связанные с этим дополнительные компенсирующие замеры,Для случая измерения сигнала со второгоканала переключатель переводится в положение 11, и напряжения на выходе блоков умнс)жения 15 и 16 имеют вид Уск, -- . Увых, 7 з)п М+ 1+ ф) = =: А, сов (св 1 + с, + сф ) У 81 п (ф + у + басф ) + + О з 1 п (ю 1+ в + жф,) е высшие гармоники,ск.,: - : вых, 7 соз (св+ в + 9 ф,): = А, соз (сс 1 +,с, + с ф,) У сов (сс 1 + р + "ф ) 4- + Усов(св 1+ + ф,) Е высшие гармоники.(11)Сигнал с выхода блока умножения 15 подается черсз четвертый фильтр 21 на индикатор амплитуды 23 и на усилитель 20, напряжение с которого отрабатывается двигателем 1.с) нс рсмс ц 1 с.ощим щетки потенциометров та.:им образом, что устанавливается нулевое значение С/ск, по постоянной составляющей, гго имсст место при с=с 1=с 12 (следует из рассмотрения (10) и (11). Нулевое значение напряжения фиксируется на индикаторе фазы 22, отсчет значений фазы ср = сг) = ср 2 производится по шкале 32 с помощью стрелки, жестко закрепленной с ротором потенциометров, При этом напряжение Уск, с выхода блока умножения 16 пропорционально амплитуде измеряемого сигнала и через фильтр 24 может быть замерено индикатором амплитуд 23 или прямо, или чсрез квадратор 29, сумматор 30 и блок 31 извлечения квадратного корня (в зави"нмости от положений а или б третьего переключателя 35), Вход индикатора ампли. туд 23 соединен непосредственно и через инвертирующий усилитель 25 - с питающими входами косинусного 9 и синусного 8 потенциометров, статоры и роторы которых жестко связаны со статорами и роторами потенциометров двухкоординатного фазосдвигающего блока. К выходам потенцнометров 8 и 9 подсоединены индикаторы 26 )". 27 действительной и мнимой составляющих частотной характеристики,Такое соединение потенциометров 8 и 9 позволяет одновременно с получением частотной характеристики получить автоматически ее действительную и мнимую составляющие, знание которых необходимо, например, для задач математического описания объектов автомати60 б еского регулирования. Кроме того, это позволяет без снятия полной частотной характеристики определять запасы устойчивости ра;омкнутых однокоординатных и двухкоордицатных систем и производить синтез указанных систем по запасам устойчивости.В этом режиме для определения запасов устойчивой плавной подстройки частоты генератора 1 определяется частота ьь при которой мнимая составляющая частотной характеристики равна нулю, что соответствует фазовому сдвигу, равному 180, а амплитуда при этом содержит информацию о запасе устойчивости по амплитуде. Аналогично при граничной частоте со по амплитуде с индикатора фазы 22, равной входному сигналу, определяются запасы устойчивости по фазе. Меняя параметры системы и замеряя запасы устойчивости, можно быстро экспериментально определить параметры, удовлетворяющие требуемым запасам устойчивости, а также производить сравнение различных схем по данному параметру. Вышеописанная последовательность операции измерения может быть использована как для определения комплексных частотных характеристик двухкоординатных нелинейных систем, так и обычных частотных характсристик однокоординатных нелинейных систем регулирования. В последнем случае в качестве входного сигнала используется один из выходных сигналов генераторов или синусоидальной (в этом случае переключатель 34 должен находиться в положении 1), или косицусоидальный (в этом случае переключатель 34 должен находиться в положении 11).Для измерения амплитуд высших гармоник в выходных сигналах измеряемой системы 18 входные воздействия по первой гармонике подаются по обоим каналам не с генератора 1. а с генератора 33, для чего переключатель 34 должен находиться в положении 11. Генератор 1 в этом случае обеспечивает получение сигналов с частотой, кратной частоте генератора 33.Если устанавливать на генераторе 1 опорных сигналов частоты, кратные по отношению к частотам генератора 33, то производится замер амплитуд по индикатору амплитуд 23, подключенному к выходу блока 31 извлечения квадратного корня, на вход которого через сумматор 30, квадраторы 28 и 29 и фильтры 2 и 24 приходят квадраты постоянных составлцогцих сигналов с выходов блоков умножения 15 и 16, В этом режиме в качестве фильтров 13, 14 и 17 используются разделительные центрирующие фильтры или сглаживающие фильтры с постоянной времени, не вносящие искажений в амплитудные значения измеряемых гармоник. Следящая система привода роторов фазосдвигающего устройства в этом режиме может быть отключена.В случае использования следящей системы может быть зафиксирован и характер изменения фазо вой характеристики высшей гармоники по частотам. В этом случае квадратор 5 о 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 28 и блок 31 извлечения квадратного корня могут отсутствовать, и замер амплитуд высших гармоник осуществляется с выхода фильтра 24 (переключатель 35 находится в полояеции в) .Аналогично вышеописанному дополнительно могут проводиться измерения составляющих гармоник неизвестного периодического сигнала и со случайным распределением амплитуд по частотам. Входные воздействия на систему при этом не задаются с генераторов. В этом случае изменяя фиксированно частоту генератора 1 опорных сигналов (путем умнокения исследуемого сигнала на синусный и косинусный сигналы этого генератора в блоках умножения 15 и 16 с последующим возведением в квадрат постоянных составляющих после фильтров 21 и 24 в квадраторах 28 и 29), суммируя их в сумматоре 30 и извлекая корень квадратный в блоке 31, на его выходе с помощью индикатора амплитуд 23 замеряется значение амплитуды гармоники на частоте, равной фиксированной частоте настройки генератора 1 опорного сигнала. Сигнал, замеренньц": на выходе сумматора 30 (переключатсль 35 находится в положении а), дает информацию о значении спектральной характеристики случайного сигнала на данной фиксированной частоте. При плавной настройке частот гсце. ратора 1 устройство позволяет получить практически плавное распределение амплитуд гармоник и их квадратов (спектральную плоскость) цо частотам. При подключенной следящей системе (усилитель 20 - двигатель 19) квадратор 28 и блок 31 не используются ц могут отсутствовать.Предлагаемое устройство несложно в изготовлении и может быть выполнено на типовых элементах.Так, в качестве генераторов 1 и 33 могут быть использованы обычные низкочастотные электронные генераторы типа НГПК с двумя выходами - синусным и косинусным характером изменения амплитуд. Для изменения полярностей синусоидальных составляющих, небходимого для формирования комплексного воздействия отрицательной частоты. могут быть применены цнвертируюшие операционные усилители или другие аналогичные элементы.В качестве блоков произведения мог т быть использованы электрон цыс блоки произведения, сформированные на базе нелинейных квадраторов или по принципу время-импульсных блоков произведения,П р ед м ет изобретения Устройство для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования, содержащее три переключателя, генератор опорных сигналов и генератор первоц гармоники, соединенные с исследуемой системой через второй переключатель, индикаторы, первый и второй синусно-косинусные потен443366 12 Составитель 3. Маркова Редактор Е. Семанова Текред й. Куклина Корректор О. Тюрина Заказ 1331/10 Изд. Ма 1258 Тираж 760 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Типография, пр, Сапунова, 2 циометры, соединенные с генератором опорных сигналов и через первый и второй суммирующие усилители, первый и второй фильтры - с первыми входами блоков умножения, вторые входы которых через первый переклю:атель и третий фильтр подключены к выходам исследуемой системы, выход первого блока умножения через четвертый фильтр соединен с измерителем фазы и через усилитель - с двигателем, а через первый квадратор - с сумматором, выход второго блока умножения через пятый фильтр и второй квадратор связан с сумматором, подключенным к нелинейному блоку извлечения квадратного корня,выход которого и выходы сумматора и пятого фильтра через третий переключатель соедине ны с индикатором амплитуд, при этом роторы всех потенциометров через редуктор соединены с двигателем, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно содержит третий синуснокосинусный потенциометр, движки которого связаны с индикаторами амплитуд действи тельной и мнимой составляющих характеристики и с редуктором, а неподвижные клеммы соединены со входом индикатора амплитуд, одна непосредственно, а другая - через инвертирующий усилитель,