Устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем

 

АНИЕ

ИЗОБРЕТЕН И Я

>769494

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 06.12.78 (21) 2694344/18-24 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.10.80. Бюллетень ¹ 37 (45) Дата опубликования описания 14.10.80 (51) М.Кл.з G 05 В 23/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 62.50 (088.8) (72) Авторы изобретения О. В. Жилинский, A. В. Терентьев и Ю. Ф. Володько (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЗВЕНЬЕВ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Изобретение относится к области автоматики, а именно к области экспериментального определения динамических характеристик систем автоматического -регулирования (САР) и может быть использовано для идентификации элементов и систем с обратными связями, например станочных систем, в условиях Нх эксплуатации,,контроля или экспериментального исследования.

Известно устройство,для определения частотных характеристик элементов и САР (1), которое содержит генератор синусоидального сигнала, подключенный ко входу исследуемой системы, измерительные преобразователи на входе и выходе идентифи цируемого звена, настраиваемые фильтры, самописец и блок стабилизации амплитуды тестового . сигнала. При снятии динамичеоких характеристик идентифицируемого звена на вход исследуемой системы подается тестовый синусоидальный сигнал определенной частоты, амплитуда которого на

:входе идентифицируемого звена поддерживается постоянной,при,помощи блока стабилизации амллитуды. Сигналы на входе и выходе этого звена измеряются измерительными преобразователями и через последовательно соединенные согласующие усилители и настраиваемые фильтры регистриРуются самописцем. При обработке полученной записи определяется значение чаcToTHbIx характеристик звена для конкретного значения частоты тестового сигнала.

5 Последовательной подачей в систему тестовы.; сигналов различной частоты при ,помощи синхронной настройки задающего генератора и фильтров определяется целый ряд значений частотных характеристик звена в интересующем диапазоне частот.

Недостатком данного устройства является необходимость ручной или полуавтоматиче "кой обработки большого количест|ва записей сигналов на входе и выходе звена, полученных в процессе испытаний. Это определяет большую трудоемкость процесса идентификации с применением описанного устройства и приводит к дополнительным погрешностям измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем (2), содержащее регистрирующий блок, последовательно соединенные генератор тестовых сигналов и усилитель мощности. Первый и второй измерительные преобразователи, входы которых связаны соответственно со входом и выходом исследуемого звена системы, 769494

4Î

55

65 вход которой соединен с выходом первого вибратора.

В этом устройстве на входе и выходе идентифицируемого звена установлены измерительные преобразователи, выходы которых подключены ко входам следящихфильтров Следящие фильтры связаны с генератором тестовых сигналов, что обеспечивает синхронную настройку частоты синусоидальных сигналов. Блок стабилизации амплитуды, вход которого подключен к выходу следящего фильтра в канале измерительного преобразователя на входе идентифицируемого звена, а выход — к генератору синусоидальных сигналов, обеспечивает постоянство амплитуды тестового сигнала во всем рабочем диапазоне частот. Сигнал после следящего фильтра в канале измерительного лреобразователя на выходе идентифицируемого звена подается на первый вход одного синхронного детектора, а сдвинутый фазо в ращателем на 90 по фазе — на первый вход другого синхронного детектора.

На вторые входы синхронных детекторов сигналы поступают с выхода фазокомпенсатора, вход которого .подключен к выходу следящего фильтра в канале измерительного преобразователя на входе идентифицируемого звена. Сигналы с выходов синхрон-. ных детекторов в виде А silI y и А cos р подаются на входы, регистрирующего устройства и,позволяют получать за висимость между амплитудой и фазой при непрерывном изменении частоты.

Однако применение данного у.стройства ,возможно лишь для идентификапии детектированных звеньев или цепей, у которых измерение сигналов непосредственно на входе и выходе физически реализуемо, что характерно для опраниченного класса CAP.

Существует широкий класс систем, не отвечающих названному условию, т. е. систем, у которых имеется два или более звена с выходом на общий сумматор, а измерение сигналов непосредственно на выходе каждого из этих з веньев физически неосуществимо. Так, все механические звенья по современной теории динамики. станочных систем обладают обратной связью в силу. своей физической природы и не могут,рассматри ваться,как детектированные. Также невозможно измерение утечек ра бочей жидкости между полостями гидродвигателей и внутри ряда гидроаппаратов управления в. гидравлических системах. В этом случае возможно лишь измерение сигнала на выходе общего сумматора, т. е. измеряемые переменные являются функциями передач нескольких сходящихся звеньев, и применение описанного устройства неприемлемо.

Применение же различных теоретических допущений для преобразования действительной структуры системы, приводит к значительным погрешностям идентификации и

l0

25 не дает истинного представления об исследуемм ой си с те м е.

Целью изобретения является расширение функциональных .возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что оно содержит коммутатор, третий измерительный преобразователь, второй вибратор, четыре аналого-цифровых преобразователя (АЦП), три согласующих усилителя, вычислительный блок и блок памяти, первый вход и выход которого связаны соответственно с перовым выходом и входом вычислительного блока, второй вход — через лервый ЛЦП связан с выходом усилителя мощности и перовым входом, коммутатора, третий, четвертый и пятый входы соответственно соединены с выходами второго, третьего и четвертого АЦП, входы которых соединены соответственно через первый, второй и третий согласук)щие усилители с выходами, первого, второго и третьего измерительных преобразователей.,Вход третьего измерительного преобразователя связан с выходом смежного, звена системы, ко входу одного из остальных звеньев которой подключен выход второго вибратора, а входы вибраторов связаны с соответствующими выходами коммутатора, второй вход которого соединен со вторым выходом вычислительного блока, третий выход которого связан со входом регистрирующего блока. Генератор тестовых сигналов выполнен в виде генератора белого шума.

На чертеже, дана структурная схема устройства для определения частоты характеристик звеньев динамических систем.

Прямые пути из узлов исследуемой системы 1 включают звенья, имеющие общий выход. К этим узлам:подключаются вибраторы 2,,питание которых осуществляется от генератора тестовых сигналов 8 через усилитель мощности 4 и,коммутатор 5. В качестве генератора тестовых сигналов 8 использован генератор белого шума. Ко входу каждого из звеньев, имеющих общую точку выхода, и к общей точке выхода подключаются измерительные преобразователи б, которые через согласующие усилители 7 и АЦП 8 связаны с блоком, памяти 9. Блок

:памяти 9 имеет двустороннюю связь с цифровым вычислительным блоком 10, который имеет выход на регистрирующий блок 11.

Выход усилителя мощности 4 через АЦП 12 соединен с блоком памяти 9.

Идентификация исследуемой динамической системы 1 заключается в определении

:передаточных функций (или амплитуднофазовых частотных характеристик), составляющих звеньев WI Ws, и невозможна ранее известными устр ойствами, так как переменные в узлах системы являются функциями передач нескольких сходящихся звеньев, а измерение сигналов непосред769494 ственно на выходе отдельных звеньев физически не (реализуемо.

В качестве примера рассмотрим идентификацию звена, имеющего .передаточную функцию W2. Это звено имеет общую точку выхода со з)веном W2.

Для того чтобы эти звенья находились на прямых, путях от источников тестовых сигналов, требуется лодключить один (например, электромагнитный) вибратор 2 к узлам А или В, а другой — к узлам D и Е.

При этом прямой путь )от первого вибрато)ра включает звено W2, а прямой луть от второго вибратора — звено W7.

)B данном случае, подключение ви бр ато15 ров 2 в узлах А и Е предпочтительнее, так как обеспечивает )возможность идентификации всех звеньев исследуемой системы 1.

Устройство работает следующим образом.

Тестовый сигнал от генератора 8 через усилитель мощности 4 и коммутатор 5 подается к одному из вибраторов 2, подключенных к исследуемой системе. Сигналы на входах идентифицируемого звена и встречно сходящегося с ним звена, т. е. звена, имеющего с ним общую точку выхода, а также в общей точке выхода (узел C) измеряются (например, аналоговыми) измерительными преобразо)вателями 6, в .качестЗо ве которых могут быть использованы датчики механических величин любых известных типов, и через согласующие усилители б,поступают на АЦП 8. Тестовый сигнал с выхода усилителя мощности 4 поступает на

АЦП 1)1. АЦП 8 и 11 осуществляют квантование непрерывных случайных процессов по каждому из названных каналов, причем шаг квантования по времени не должен превышать половину, периода максималь- 40 ной анализируемой частоты. Цифровые значения переменных с выходов АЦП 8 и 11 поступают в блок памяти 9 и накапливаются в нем. После получения необходимой длины реализации (т. е. заданного количе- 45 ства цифровых значений переменных), вычислительный блок 10 с помощью .коммутатора 5 переключает выход усилителя мощности 4 на,второй электромагнитный вибратор 2. Затем проводится аналогичная пос50 ледовательность операций, в )результате которой в блоке оперативной памяти 8 накап.ливается вторая серия значений измеряемых,переменных. После, достижения необходимой длины реализации при работе вибратора 2, вычислительный блок 10 производит математическую обработку полученных результатов, которая заключается в (ре2пении уравнения

$гс() I $ (} $ж() 2()

Xf

$2С((()) I $2В(())) $220; ); !I W;()

1 — матрица-столбец из зна$2(.-((o) чений взаимных спек- 55

Tp3JIbHblx плотностей сигнала в общей точке выхода и тестового сигнала на,выходе усилителя мощности при работе каждого вибратора; матрица-столбец из определяемых характеристик передачи .каждого из звеньев системы, имеющих обгцую точку выхода;

W2((o)

W ()) )!

f S»()StD() I

l!$ в(}$2о();! — квадратная матрица из значений взаимных спект)ральных плотностей сигналов на входе каждого из звеньев, имеющих общую точку выхода и тестового сигнала на выходе усилителя мощности при работе каждого вибратора. вид:

Решение имеет

Sic(>)Sio(l

$2С ((О } $20 (®) $) в(ш} S) z((o)

S2g((o)$2ð((o}

$)в(о))$)с(о)) f д (,о) $2a((o) $2С((() } )

$Ia((o)$(o((o)

52 ()S2O((о)!

Формула изобретения

1. Устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем, содержащее регистрирующий блок, последовательно соединенные генератор тестовых си)гналов и усилитель мощности, первый и второй измерительные,преобразователи, входы которых связаны соответТаким образом, определяются частотные характеристики идентифицируемого звена и одновременно звена (или звеньев), имеющих с ним общую точку выхода.

Следует отметить, что число звеньев динамической структуры, имеющих общую точку выхода, определяет необходимое число электромагнитных вибраторо)в, число измерительных преобразователей и порядок матричного уравнения.

Изобретение позволяет повысить точность идентификации, расширить класс идентифицируемых систем и производить идентификацию сложных много контурных систем в процессе их нормального функциони|рования, т. е. расширить функциональные возможности устройства.

769494

Составитель В. Васильев

Техред О. Павлова

Редактор Л. Утехина

Корректор И. Осиповская

Заказ 1300/1291 Изд. № 479 Тираж 956 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент» ственно со входом и выходом исследуемого звена системы, вход которой соединен с выходом,пврвого вибратора, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит коммутатор, трегий измерительный преобразователь, второй вибратор, четы ре аналого-|цифровых преобразователя, три согласующих усилителя, вычислительный блок и блок памяти, первый вход и выход которого связаны соответственно с первым выходом и входом вычислительного блока, второй вход через первый аналого-цифровой п реобразователь связан с выходом усилителя мощности и первым входом коммутатора, третий, четвертый и .пятый входы соответственно соединены с выходами вто рого, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей, входы которых со-. единены соответственно через .лервый, второй и третий согласующие усилители с выходами первого, второго и третьего измерительных преобразователей, причем вход третьего измерительного преобразователя связан с выходом смежного звена систем, ко входу одного из остальных звеньев которой подключен выход второго вибратора, 5 а входы вибраторов связаны с соответствующими выходами коммутатора, второй вход которого соединен со вторым выходом вычислительного блока, третий .выход которого связан со входом регистрирующего

10 бло.ка.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что генератор тестовых сигналов выполнен в виде генератора белого шума.

15 Источники информации, принятые во внимание,при экспертизе:

1. Д. В. Васильев и др. Проектирование и расчет следящих систем, Ленинград, «Судостроение», 1964, с. 505.

20 2. Измеритель статических и динамических характеристик металлорежущих станков. «Станки и инструмент», ¹ 1, 1976, с. 26 (прототип).