Инфранизкочастотный анализатор передаточныхфункций

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

l74805

Со оэ Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт, свидетельства №

Кл, 42d, 5

Заявлено 20.111.1963 (№ 824965/26-24) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 07.1Х.1965. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания ЗО.Х.1965

Государственный комитет по делам иэобретений

w открытий СССР

МПК G 016

УДК 621.317.757 (088.8) Автор изобретения

В. Г. Атаманенко, Г. Н. Андреев, И. Н. Артеменко и А. Я. Бохене

Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации

Заявитель

ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПЕРЕДАТОЧНЫХ

ФУНКЦИЙ

Подписная группа № 1бб

Известный инфранизкочастотный анализатор передаточных функций содержит интеграторы на операционных усилителях, генератор низкой частоты, блоки умножения и индикатор.

Предлагаемый анализатор огличается тем, что в нем синусный выход генератора низкой частоты подсоединен ко всем первым входам блоков умножения на синус, вторые входы которых подключены через входные преобразователи к выходу анализируемой системы; косинусный выход генератора низкой частоты также подсоединен ко всем первым входам блоков умножения на косинус, вторые входы которых также подключены через входные преобразователи к выходу анализируемой системы, а пневматический и электрический выходы генератора подсоединены к анализируемой системе. Каждый блок умножения на синус и косинус подсоединен через схему изменения числа периодов усреднения и операционный усилитель — интегратор к регистратору.

Это позволяет увеличить точность исследования систем со случайными возмущениями, уменьшить время исследования систем.

Анализатор отличается также тем, что в нем генератор низкой частоты содержит RCзадающий генератор с изменяемой частотой, подсоединенный через фазосдвигающие цепи и усилители мощности к трехфазному синхронному двигателю, вал которого подсоединен через пятидекадный редуктор к пневматическому и электрическому синус-преобразова5 телям и к вращающемуся трансформатору.

Такая конструкция позволяет существенно повысить надежность работы генератора в производственных условиях.

Отличием анализатора передаточных функ10 ций является также то, что для исследования пневматических систем управления в нем пневматический синус-преобразователь содержит элемент сопло-заслонку. Заслонка выполнена в виде наклонного диска, сидящего на

15 валу синхронного двигателя, а сопло укреплено на плоской пружине, опирающеися на жесткий центр упругого элемента обратной связи, полость которого соединена через дроссель с источником питания, и подключена непосредственно к соплу и входу пневмоусилителя.

Следующим отличием анализатора являегся то, что для увеличения точности анализа систем со случайными возмущениями в нем схема изменения числа периодов усреднения содержит фотореле, управляемое лучом, проходящим через диск с прорезями, установленный на валу синхронного двигателя; фотореле подсоединены через реле запрета к шаговому ис30 кателю, подключенному к переключателю

174805 где установки требуемого числа импульсов, выход реле запрета подсоединен к обмотке реле запрета, контакты которого подключены ко входам интеграторов. Применение анализатора в промышленности позволит сократить время экспериментальных исследований и увеличит точность получаемых данных, что позволит разрабатывать более совершенные системы управления.

На фиг. 1 изображена скелетная схема анализатора; на фиг. 2 — скелгтная схема устройства для изменения частоты; на фиг. 3 — пневматический преобразователь; на фиг. 4--блок-схема блока умножения и усиления; на фиг. 5 — скелетная схема входного устройсгва с устройствами умножения; на фиг. б — схема интегратора; на фиг. 7 — схема управлепия.

Для построения анализатора, позволяющего определять динамические характеристики промышленных объектов при наличии шума, рекомендуется следующий алгоритм.

JTm

У,=- 1 У(t)e dt т (j — ЦTm (j=1,2,3. (т=1, 2, 3.

Применение усреднения по времени в течение 3 — 10 периодов (2) и усреднение по множеству (1) обеспечивают наиболее точное и сравнительно быстрое определение значения амплитудно-фазовой характеристики на часготе о,. Число и зависит от уровня и характе ра шума и выбирается экспериментатором в соответствии с методикой, изложенной в инструкции.

Рассмотрим схему анализатора (фиг. 1).

Гармонические колебания заданной амплитуды подаются на вход 1 исследуемой системы 2 с генератора 8 низкой частоты. Анализируемый сигнал после преобразования во входном устройстве 4, поступает на два блока умножения 5, В одном из них он умножается на

cos wt, а в другом — íà sin et. После умножения сигнал поступает на интегрирующий блок б. Время интегрирования определяется контактом 7, замыкаемым схемой управления 8, всегда кратно периоду гармонических колебаний. Регистрирующий прибор 9 регистрирует результаты вычислений.

Генератор 8 анализатора служит для возбуждения на входе исследуемой системы гармонических колебаний заданной амплитуды и частоты для получения ортогональных гармонических сигналов, необходимых для осуществления фурье-преобразования.

Необходимость получения при исследовании промышленных САУ гармонических сигналов различной физической природы (электриче10

З5

65 ских и пневматических), а также требуемый ири этом диапазон частот определяют выбор конструкции генератора.

Для этой цели наиболее подходит электромеханический генератор.

В электромеханическом генераторе равномерное вращение выходного вала с угловой скоростью ж, преобразуется в гармонические колебания необходимой физической природы.

1 енератор анализатора состоит из устройства для изменения частоты, двух синус-преобразователей и преобразователя ортогональных гармонических сигналов. Изменение скорости вращения электрического двигателя изменяет частоту генератора. Изменение частоты питающего напряжения регулирует скорость вращения.

Примененное частотное управление обеспечивает кратность изменения частоты, равную десяти, Для расширения этого диапазона можно применить дополнительный редуктор 10.

Скелетная схема (фиг. 2) устройства для изменения частоты поясняет принцип его работы. В схеме применен трехфазный, гистеризисный, синхронный двигатель 11. Гистеризнсные двигатели по сравнению с другими типами маломощных синхронных двигателей имеют целый ряд преимуществ, таких как большой пусковой момент, «жесткие» механические характеристики, сравнительно высокий к. и. д. (30 — 40 % ), Для получения напряжения регулирующей частоты в схеме применен задающий генератор 12, обеспечивающий изменение частоты генерируемых сигналов в диапазоне от 40 до

400 аи.

Для создания вращающего поля в схеме формируется двухфазное напряжение.

Сигнал с задающего генератора подается на фазосдвигающую цепочку 18 и делитель 14.

На выходе цепочки 18 образуется напряжение, сдвинутое по фазе на бО относительно напряжения на выходе делителя. Зти напряжения подаются на два усилителя мощности 15. Напряжения на выходе усилителя 15 включаются в противофазе, что обеспечивает получение двух напряжений, сдвинутых по фазе на 120 .

Последние используются для питания трехфазного синхронного двигателя 11. Принципиально такая схема может обеспечить в определенном диапазоне плавное изменение скорости вращения двигателя. Однако практически более целесообразно дискретное изменение, которое позволяет быстро и точно установить требуемое значение частоты.

В описываемой схеме скорость вращения синхронного двигателя может изменяться в

10 раз, т. е. в пределах одной декады. В пределах декады частота равномерно изменяется двухдекадным переключателем, в качестве которого применен пятиступенчатый редуктор

10, управляемый электромагнитными муфтами.

Синус-преобразователи служат для преобразования равномерного вращения выходного

174805 вала редуктора с углот. ой скоростью с), в гармонттчестстте колебания. Генератор имес г электрический 16 и пневматический 17 синуспреобразователи.

Пневматический синус - преобразователь (фиг. 3) трансформирует постоянное давление воздуха в переменное„меняющееся по спнусоидальному закону.

Равномерное вращение передается наклонному диску 18, плоскость которого служит заслонкой для следяше о сопла 19. Сопло укреплено на плоской пру>кипе 20, на свободньш конец которой давит мембранная коробка 21, жестко закгепленная основанием. Питание осуществляется сжатым воздухом через штуцер и дроссель 22. При враитении диска зазор между его плоскостью и соплом меняется.

Это устройство является следящим и обеспечивает линейную зависимость давления от поло>кения заслонки.

Изменение амплитуды колебаний осуществляется выбором расстояния между осью сопла и осью вращающегося наклонного диска.

Изменение постоянной составляющей сигнала обеспечивается выбором начального натяжения пружины 20.

Специализированное вычислительное yc гройство реализует следующие математические операции: а) . Умножение анализируемого сигнала на гармонические ортогона.зьные функции. б). Интегрирование результата умножения в течение времени, кратного периоду гармонических сигналов.

Рассмотрим конструктивную реализацтио указанных математических операций.

В предлагаемом анализаторе применены блоки умножения, использующие переключатощие устройства.

Переключающее устройство — демодуляторы 28, 24 (фиг. 4) осуществляют умно>кение сигнала Y на косинус угла ср, Угол ср представляет собой сдвиг фаз между несущими частотами (p)p) коммутирующего (UI и Up) и входного (U) т;апряиений.

Если У) — cos (с)т)1+ср) и U= У cos с))t то: Z = Усозст).

Для того, чтобы осуществить умножение анализируемого сигнала Y на косинус ннсрранизкой частоты с)) „необходимо чтобы ср =

Нк

Эту задачу решает вращающийся трансформатор 26, ротор которого связан с выходным валом устройства для изменения частоты.

Взаимно перпендикулярные обмотки 26, 27 вращающегося трансформатора имеют вывод средней точки. Благодаря этому, если обозначить угол поворота ротора относительно статора через а, можно получить три напряжения Вида: е,=КU .sinà. е = К U„. sin (90 + а). е) — — К U,„sin (180 + а).

Так как ротор вращающегося трансформатора приводится во вращение от того же вала, что и синус-преобразователь, то угол а изменяется по закону u = с)кt.

Если U, = Up sin cppt, то l г

5 K Up sin (Ы вЂ” 0) t),12

U = К Up cos (p)pt — со t). г к

В схеме применены вращающийся трансформатор типа ВТМ-4 и следующие параметры с? С-цепочки 28 с) RC = 1.

Перед подачей на блоки умножения напри>кения UI u U. усиливаются специальным усил. -,елями мощности.

Переключатель 29 (фнг. 5) служит для пе етслючеттия схемы в зависимости от вида анализируемого сигнала. На фиг. 5 переключатель изображен в положении, когда анализи20 стуемт.ттт сигнал имеет несущую частоту. Ec:n . аттализипуемый сигнал, поданный по входу 80, не имеет несущей, то он модулирлсется контактным вибропреобразователем 81. Усилитель

32 предварительно усиливает сигнал и имеет три фиксированных значения коэффициента усиления, равных соответственно 1; 10 и 100

Фазовращатель 88 служит для согласованття фазы несущей анализируемого сигнала с фазой эталонного коммутирующего напряя.ения (U„).

В схеме предусмотрены двухдекадный делитель напряжения 84, источник компенсации постоянного тока 85, источник компенсации переменного тока 36, фаза которого равна фазе U„, а такие избирательный усилитель мощности 87 с постоянным коэффициентом усиления и демодуляторы 38, 89 и 40.

Если напряиения U, и U. являются ортогонà Iüíûìè гармоническими функциями, то де40 модуляторы 88 и 89 осуществляют умножение сигнала на гармонические функции синус и косинус.

В качестве интегрирующего устт)ойства в анализаторе применен интегратор 41 >та QIie45 рационном усилителе, не требуюшем стабилизированного источника питания. Для изменения постоянной времени интегратора в схеме пп менены двоичные сопрот твления 42 (Фт г. 6), переключаемые с помощью переклю50 чателей 43 установки частоты генератора в пт)сделах îдной декады. При переходе с дека. дьт на декаду постоянная впемени изменяется путем изме тенпя емкостей 44 и 45 в обратной сг,язи.

Значение постоянной интегрирования можно записать в виде:

; R„ C„

;(и,+О,ln,) где cp = 1 при подключении емкости 44, и а =60 = 0,1 при подключении емкости 45; = 1 при отключенном реле 46; Ii = 0,1 при включенном реле 46, а у = 50, и, и и. = 1, 2. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 принимает значения, установленные на переключателе, изменяющем часто)у

65 генератора.

174805

Схема управления представляет собой логическое устройство (фиг. 7) и служит для управления последовательностью необходимых математических и других операций. Схема управления обеспечивает включечие интеграторов, и отключение интеграторов по истечении необходимого времени интегрирования; возможность интегрирования в течение Т (177, =

= 1,2... 9,10 устанавливается оператором); разряд интегрирующего конденсатора и возврат схемы в исходное положение; останог, и возврат схемы в исходное положение по команде оператора.

Начало и конец интегрирования определяет устройство, состоящее из фотореле, диска с двумя диаметрально противоположными про. резями и счетчика импульса.

Диск установлен на выходном валу инфранизкочастотного генератора. Один оборот диска соответствует периоду исследуемого сигнала.

Фотореле 47 за один оборот формирует два импульса (по числу прорезей), которые через реле запрета 48 поступают на счетчик импульсов 49, Устанавливая с помощью переключателя 50 необходимое число импульсов, равное

2т, задают время интегрирования (от одного до десяти периодов). Возвращаясь в исходное положение, схема обеспечивает подачу команды на печать двухкоординатному потенциометру и осуществляет разряд интегрирующего конденсатора.

Предмет изобретения

1. Инфранизкочастотный анализатор передаточных функций, содержащий интеграторы на операционных усилителях, генератор лизкой частоты, блоки умножения и индикатор, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности анализа систем со случайными возмущениями, уменьшения времени исследования систем, в нем синусный выход пневмоэлектрического генератора низкой частоты подсоединен ко всем первым входам блоков умножения на синус, вторые входы которых подключены через входные преобразователи к выходу анализируемой системы; косинусный выход генератора низкой частоты также подсоединен ко всем первым входам блоков умножения на косинус, вторые входы которых также подключены через входные преобразователи к выходу анализируемой системы, а его пневматический и электрический выходы подсоединены к анализируемой системе; каждый блок умножения на синус и косинус подсоединен

10 через схему изменения числа периодов усреднения и операционный усилитель-интегратор к регистратору.

2. Анализатор по п, 1, отличающийся тем, что, с целью повышения его надежности, в нем

15 генератор низкой частоты содержит КС-задающий генератор с изменяемой частотой, подсоединенный через фазосдвигающие цепи и усилители мощности к трехфазному синхронному двигателю, вал которого подсоединен через

20 пятидекадный редуктор к пневматическому и электрическому синус-преобразователям и к вращающемуся трансформатору.

3. Анализатор по п. 1, отличающийся тем. что, с целью исследования пневматических си25 стем управления, в нем пневматический синуспреобразователь содержит элемент сопло— заслонка, заслонка которого выполнена в виде наклонного диска, сидящего на валу синхронного двигателя, а сопло элемента крепится при

Ç0 помощи плоской пружины, опирающейся на жесткий центр упругого элемента обратной связи, полость которого соединена через дроссель с источником питания и подключена непосредственно к соплу и входу пневмоусилителя.

4. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности анализа систем со случайными возмущениями, в нем схема изменения числа периодов усреднения со40 держит фотореле, управляемое лучом, проходящим через диск с прорезями, который установлен на валу синхронного двигателя; фотореле подсоединено через реле запрета к шаговому искателю, подключенному к переклю45 чателю установки требуемого числа импульсов, выход реле запрета подсоединен к обмотке реле запрета, контакты которого подключены ко входам интеграторов.

174805 гг 7

Составитель В, А. Субботин

Редактор Л. А. Утехина Техред Ю. В. Баранов Корректор Г. П, Зимина

Заказ 2949/16 Тираж 1375 Формат бум. 60 90 /з Объем 0,59 изд. л. Цена 5 коп.

ЦНИИПИ Государствсшюго комитета по делам изоорстсний и открытий СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2