устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем

Формула изобретения

1. Устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем, содержащее последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибратор и исследуемую динамическую систему, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, первый коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок, отличающееся тем, что в него введены три цифровых анализатора спектра, второй, третий и четвертый коммутаторы, шесть блоков ОЗУ, шесть регистров сдвига, элемент И НЕ, счетчик, блок управления и дополнительная динамическая система, при этом первый выход блока управления подключен к входам всех коммутаторов, второй выход к управляющим входам цифровых анализаторов спектра, третий выход блока управления через счетчик соединен с адресными входами шести блоков ОЗУ, четвертый выход блока управления подключен к тактовым входам шести регистров сдвига, пятый выход блока управления к тактовому входу блока решения системы линейных алгебраических уравнений, шестой выход блока управления к входам шести блоков ОЗУ, седьмой выход блока управления соединен с входами выбора режима работы всех регистров сдвига, цифровые анализаторы спектра включены между выходами второго, третьего и четвертого коммутаторов, выходы которых попарно подключены к входам блоков ОЗУ, выходы которых подключены к параллельным входам шести регистров сдвига, выход второго регистра сдвига через последовательно соединенные первый, четвертый, шестой, третий и пятый регистры сдвига соединен с первым информационным входом блока решения системы линейных алгебраических уравнений, второй информационный вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, вход блока управления через элемент И НЕ подсоединен к выходам цифровых анализаторов спектра, а первый коммутатор включен между исследуемой динамической системой и дополнительной динамической системой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит счетчик с дешифратором, семь выходов которого являются выходами блока управления, восьмой выход дешифратора через последовательно соединенные второй элемент задержки и первый элемент И подключен к одному из входов второго элемента И, девятый выход дешифратора через последовательно соединенные генератор импульсов и второй элемент И подключен ко входу счетчика, при этом первый выход дешифратора подключен к RS триггеру, третий и пятый выходы к первому и третьему формирователям импульсов, четвертый выход к последовательно соединенным второму формирователю импульсов и первому элементу задержки, а вход блока управления соединен со вторым входом первого элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике, а именно: к экспериментальному определению динамических характеристик систем автоматического регулирования (САР) и может быть использовано для определения частотных характеристик систем с обратными связями, например станочных систем, в условиях их нормальной эксплуатации, контроля или экспериментального исследования.

Определение частотных характеристик звеньев динамических систем позволяет повысить эффективность и снизить стоимость оптимизации оборудования.

Известно устройство для определения частотных характеристик элементов и САР [1] которое содержит генератор тестовых сигналов, подключенных ко входу исследуемой динамической системы, измерительные преобразователи на входе и выходе идентифицируемого звена, настраиваемые фильтры, регистрирующий блок и блок стабилизации тестового сигнала.

Известно также устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем [2] содержащее регистрирующий блок, последовательно соединенные генератор тестовых сигналов и усилитель мощности, а также первый и второй измерительные преобразователи, входы которых связаны соответственно со входом и выходом исследуемого звена системы, вход которой соединен с выходом вибратора.

Недостатком известных устройств является то, что они не позволяют определять частотные характеристики широкого класса системы, у которых имеется два и более звена с выходом на общий сумматор, а измерение сигналов непосредственно на выходе каждого из этих звеньев физически неосуществимо.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения частотных характеристик звеньев динамических систем [3] которое содержит последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибраторы, и исследуемую динамическую системы, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок. Измерительные преобразователи через согласующие усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) связаны с блоком памяти, к которому также через АЦП подключен через усилителя мощности. Блок памяти имеет двухстороннюю связь с блоком решения системы линейных алгебраических уравнений.

При снятии динамической характеристики идентифицируемого звена тестовый сигнал от генератора через усилитель мощности и коммутатор подается к одному из вибраторов, подключенных к исследуемой системе. Сигналы, снимаемые с выходов исследуемой системы, через измерительные преобразователи, согласующие усилители и АЦП поступают в блок памяти, куда подается через отдельный АЦП тестовый сигнал. После получения заданного количества значений блок решения системы линейных алгебраических уравнений с помощью коммутатора переключает выход усилителя мощности на второй вибратор, а затем проводятся операции в аналогичной последовательности. В заключении блок решения производит математическую обработку полученных данных и выводит результаты идентификации на регистрирующий блок.

Однако, применение данного устройства возможно лишь для определения частотных характеристик звеньев динамических систем, у которых физически реализуема подача тестовых сигналов по всем необходимым для идентификации переменным, что характерно для ограниченного класса динамических систем.

Существует класс систем, у которых подача тестовых сигналов по необходимым для определения частотных характеристик переменным физически не осуществима по различным причинам (невозможность подключения вибратора, отсутствие вибраторов с необходимым для идентификации типом выходной переменной и т.п.). Применение методов преобразования структурных моделей систем, при которых передаточные функции не идентифицируемых звеньев приводятся к передаточным функциям доступных звеньев не дает полного представления об исследуемой системе и вызывает значительные погрешности при анализе этого класса систем и синтезе корректирующих устройств для них.

Задача изобретения расширение функциональных возможностей устройства путем исследования систем, для которых невозможна подача тестовых сигналов по необходимым для идентификации переменным.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные генератор тестовых сигналов, усилитель мощности, вибратор и исследуемую динамическую систему, выходы которой подключены к входам трех измерительных преобразователей, коммутатор и последовательно соединенные блок решения системы линейных алгебраических уравнений и регистрирующий блок, согласно изобретению, дополнительно введены три цифровых анализатора спектра, второй, третий и четвертый коммутаторы, шесть блоков ОЗУ, шесть регистров сдвига, элемент И-НЕ, счетчик, блок управления и дополнительная динамическая система, при этом первый выход блока управления подключен к входам всех коммутаторов, второй выход к управляющим входам цифровых анализаторов спектра, третий выход блока управления через счетчик соединен с адресными входами шести блоков ОЗУ, четвертый выход блока управления подключен к тактовым входам шести регистров сдвига, пятый выход блока управления к тактовому входу блока решения системы линейных алгебраических уравнений, шестой выход блока управления к входам шести блоков ОЗУ, седьмой выход блока управления соединен с входами выбора режима работы всех регистров сдвига, цифровые анализаторы спектра включены между выходами второго, третьего и четвертого коммутаторов, выходы которых попарно подключены к входам блоков ОЗУ, выходы которых подключены к параллельным входам шести регистров сдвига, выход второго регистра сдвига через последовательно соединенные первый, четвертый, шестой, третий и пятый регистры сдвига соединен с первым информационным входом блока решения системы линейных алгебраических уравнений, второй информационный вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, вход блока управления через элемент И-НЕ подсоединен к выходам цифровых анализаторов спектра, а первый коммутатор включен между исследуемой системой и дополнительной системой.

Введение дополнительной динамической системы позволяет организовать внешнее звено, вход и выход которого совпадают со входом второго идентифицируемого звена исследуемой системы. При этом уравнения, описывающие сигналы в узлах исследуемой системы при подключении дополнительной системы и без нее получаются линейно независимыми и состоящая из них система линейных уравнений становится разрешимой относительно частотных характеристик идентифицируемых звеньев динамической системы.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения частотных характеpистик звеньев динамической системы;

на фиг.2 структурная схема блока управления устройства;

на фиг.3 тактовая диаграмма работы элементов блока управления устройства при выполнении первой команды (индексы при напряжениях на диаграмме обозначают напряжения на выходах соответствующих блоков);

на фиг. 4 блок-схема алгоритма функционирования цифрового анализатора спектра.

От генератора тестовых сигналов 1 через усилитель мощности 2 осуществляется питание вибратора 3, выход которого подключается ко входу одного из идентифицируемых звеньев исследуемой системы 4. В качестве генератора тестовых сигналов 1 использован генератор белого шума. Первый измерительный преобразователь 5₁ подключается так, чтобы он измерял переменную исследуемой системы 4, являющуюся суммарным выходным сигналом идентифицируемых звеньев, а два других измерительных преобразователя 5₂ и 5₃ входные переменные этих звеньев. Выходы преобразователей 5 подключены соответственно к аналоговым входам трех цифровых анализаторов спектра 6. Их адресные и информационные цифровые выходы, а также выходы управления записью через три коммутатора 7 соединены попарно с соответствующими входами шести блоков ОЗУ 8, информационные выходы которых подключены к параллельным входам шести универсальных регистров сдвига 9. Последовательные входы (младший разряд) и выходы (старший разряд) универсальных регистров сдвига 9 соединены следующим образом: выход 9₂ через 9₁, 9₄, 9₆ и 9₃ ко входу 9₅. Выход универсального регистра сдвига 9₅ подключен к входу регистра ввода информации блока решения системы линейных алгебраических уравнений 10, который имеет параллельный информационный выход на регистрирующий блок 11, а его тактовый вход подключен к выходу 5 блока управления 12. Выход 3 блока управления 12 подключен к входу счетчика 13, параллельные выходы которого соединены с адресными входами блоков ОЗУ 8. Вход 8 управления 12 связан с выходом элемента И-НЕ 14, три входа которого подключены к выходам сигнала окончания преобразования цифровых анализаторов спектра 6. Выход 1 блока управления 12 связан с управляющими входами трех коммутаторов 7 и коммутатора 15, который подключает к входной переменной второго идентифицируемого звена исследуемой системы 4 дополнительную динамическую систему 16. Выход 6 блока управления 12 подсоединен к входам выборки кристалла всех блоков ОЗУ 8, выход 7 к входам выбора режима работы универсальных регистров сдвига 9, и выход 4 к их тактовым входам и тактовому регистру ввода информации блока решения систем линейных алгебраических уравнений 10.

Блок управления 12 содержит генератор импульсов 17, выход которого через один вход элемента И 18 связан со счетчиком 19, разрядные выходы которого подключены к входным линиям дешифратора 20. Дешифратор 20 имеет девять выходов, причем: первый 1 подключен к установочному входу S R триггера 21, третий 3 к формирователю импульса 22, четвертый 4 последовательно через формирователь импульса 23 к элементу задержки 24, пятый 5 к формирователю импульса 25, восьмой 8 через элемент задержки 27 к первому входу элемента И НЕ 28, второй вход которого является входом 8 блока управления 12, а выход элемента И НЕ 28 вторым входом элемента И 18. Выход 9 дешифратора 20 подключен к управляющему входу генератора импульсов 17. Остальные выходы дешифратора 20 непосредственно являются одноименными выходами блока управления 12.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально обнуляются счетчики 13 и 19, а также сбрасывается в "0" R

S триггер 21. Затем включается генератор тестовых сигналов 1, который через усилители мощности 2 и вибратор 3 возбуждает исследуемую динамическую систему 4. После завершения переходных процессов в системе 4 запускается генератор импульсов 17.

Первый импульс через элемент И 18 поступает на счетчик 19. Комбинация на параллельных выходах разрядов счетчика рассматривается как первая команда, преобразуемая дешифратором 20 в сигналы на его выходах 2 и 8. С выхода 2 блока управления 12 сигнал поступает на управляющие входы цифровых анализаторов спектра 6 и запускает их. Сигнал с выхода 8 дешифратора 20 с задержкой на элементе 27 поступает на вход элемента И-НЕ 28, на его выходе "0" подается на второй вход элемента И 18, что блокирует прохождение сигналов от генератора импульсов 17 на вход счетчика 19. После получения запускающего сигнала в каждом цифровом анализаторе спектра 6 реализуется следующий алгоритм: устанавливается начальная частота анализа спектра _i=_н и на адресном выходе анализатора выдается нулевой (начальный) адрес l 0; производится узкополосная фильтрация входного сигнала от измерительного преобразователя на установленной частоте _i и на информационном выходе анализатора устанавливается цифровое значение действительной составляющей спектра на этой частоте S^c(_i) (произведение значений амплитуды и косинуса фазы отфильтрованного сигнала); выдается импульс по выходу управления записью; инкриминируется значение, подаваемое по адресному выходу анализатора l l + 1; на информационный выход выдается в цифровом виде мнимая составляющая спектра на частоте анализа S^s(_i) (произведение значений амплитуды и синуса фазы отфильтрованного сигнала); выдается импульс по выходу управления записью; инкриминируется значение, подаваемое по адресному выходу анализатора l l + 1; частота фильтрации увеличивается на заданную величину разрешающей способности анализа (шага) по частоте w_i=₁+; полученное значение частоты сравнивается с заданной верхней граничной _вр., частотой анализируемого частотного диапазона, если _i не превышает _вр то осуществляется переход к третьему блока алгоритма, если же _i больше _вр выдается сигнал по выходу окончания анализа. Таким образом, в результате работы трех цифровых анализаторов спектра через коммутаторы 7 в блоках ОЗУ 8₁, 8₃, 8₅ по последовательным адресам записываются комплексные значения спектров сигналов, измеряемых измерительными преобразователями 5₁, 5₂ и 5₃ соответственно.

После завершения спектрального анализа в каждом цифровом анализаторе спектра 6 выдается сигнал окончания анализа, эти три сигнала логически умножаются и инвертируются на элементе И-НЕ 14, с которого "0" поступает на второй вход элемента И НЕ 28 и в результате на второй вход элемента И 18 выдается "l". Следующий импульс от генератора 17 уже проходит на счетчик 19. При дешифрации второй команды в счетчике 19 с выхода 1 дешифратора 20 поступает сигнал, устанавливающий R S триггер 21 в "l", с выхода которого сигнал подается на управляющие входы коммутатора 15 и переключающие входы трех коммутаторов 7; при этом через коммутатор 15 к исследуемой системе 4 подключается дополнительная динамическая система 16, а также адресные и информационные выходы и выход управления записью трех цифровых анализаторов спектра 6 через коммутаторы 7 подключаются к соответствующим входам второго 8₂, четвертого 8₄ и шестого 8₆ блоков ОЗУ.

Третья команда в счетчике 19 дешифруется и исполняется аналогично первой команде, при этом спектры сигналов заносятся в блоки ОЗУ 8₂, 8₄ и8₆.

В результате дешифрации четвертой команды сигнал с выхода 3 дешифратора 20 поступает на формирователь импульса 22. Импульс с выхода 3 блока управления 12 устанавливает в счетчике 13 первый адрес выборки значений спектра из ОЗУ 3.

По пятой команде на выходе 6 блока управления 12 выдается сигнал выборки кристалла, поступающий на все блоки ОЗУ 8. Одновременно выдается сигнал с выхода 4 дешифратора 20. Он преобразуется на формирователе 23 в импульс, который с задержкой на элементе 24 поступает на тактовые входы всех универсальных регистров сдвига 9. Таким образом происходит параллельная загрузка значений из ячеек шести блоков ОЗУ 8 с адресом, установленным в счетчике 13 (в данном случае из ячеек с адресом единица) в соответствующие шесть универсальных регистров сдвига 9.

По шестой команде сигнал с выхода 7 блока управления 12 переводит универсальные регистры сдвига 9 в режим регистров сдвига влево (от младшего к старшему разряду в регистре), а сигнал с выхода 4, преобразованный в импульс на формирователе 23, с задержкой на элементе 24 поступает на тактовые входы регистров 9. При этом информация в регистрах сдвига 9 сдвигается на 1 разряд влево.

Последующие (m-1) команд дешифруются аналогично шестой команде; таким образом значения действительных частей S^c спектров сигналов на частоте анализа сдвигаются на m позиций влево в регистрах 9 (где m разрядность представления данных).

Следующие две команды дешифруются аналогично четвертой и пятой: при этом производится выборка по второму адресу значений мнимых частей S^s спектров сигналов на начальной частоте анализа и их параллельная загрузка в младших разрядов универсальных регистров сдвига 9.

Последующие 12m команд дешифруются аналогично шестой команде; при этом производится последовательная загрузка в регистр ввода информации блока решения систем линейных алгебраических уравнений 10 содержимого всех регистров сдвига 9 в порядке 9₅, 9₃, 9₆, 9₄, 9₁ и 9₂. Этот порядок введения исходных данных в блок 10 соответствует подготовке блока 10 к решению системы линейных алгебраических уравнений:



где



квадратная комплексная матрица коэффициентов из спектров сигналов, измеряемых на входе каждого из идентифицируемых звеньев, которая вводится в блок 10 по строкам;



комплексная матрица столбец свободных членов из спектров сигналов, являющихся суммой выходных сигналов идентифицируемых звеньев, который вводится в блок 10 за матрицей коэффициентов;

S_ik(j) значение спектра сигнала k-й переменной системы 4 при эксперименте без дополнительной динамической системы 16 (i 1) и с ней (i 2);

=_i частота, на которой определены значения спектров всех сигналов и определяются значения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ (в данном случае начальная частота спектрального анализа =_н).

Следующие шесть команд дешифруются одинаково: с выхода 5 блока управления 12 импульс, полученный с помощью формирователя 25, поступает на тактовый вход блока решения систем линейных уравнений 10. В результате за шесть тактов комплексные значения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ вычисляются из вышеприведенной системы уравнений и параллельно выводятся на регистриpующий блок 11.

Команды, начиная с четвертой, реализуют алгоритм выборки значений спектра на частоте, порядковый номер которой задается в счетчике 13, и получение АФЧХ звеньев W₁ и W₄ на этой частоте. Поэтому следующие далее команды дешифруются как эти (13m + 10) команды последовательно к раз с тем, чтобы обеспечить определения АФЧХ звеньев W₁ и W₄ в заданном диапазоне частот

Последняя команда дешифруется в виде сигнала на выходе 9 дешифратора 20, который поступает на генератор импульсов 17 и выключает его. На этом работа устройства заканчивается.

Количество К значений в спектрах сигналов при заданных для анализа конкретной исследуемой динамической системы 4 разрешающей способности по частоте 4 и верхней w_вр и нижней _н границах анализируемого частотного диапазона определяется



Частоты анализа задаются с равномерным шагом



Число К определяет емкость блоков ОЗУ 8, которая должна быть равна для каждого ОЗУ 2К ячеек по m разрядов.

В качестве измерительных преобразователей 5 могут быть использованы датчики механических величин любых известных типов, выбор которых определяется физической природой измеряемых переменных. Это не относится к генератору сигналов (тестовых) 1, дополнительной динамической системе 16 и коммутатору 15. На дополнительную динамическую систему накладывается лишь то ограничение, что ее коэффициент ослабления должен обеспечивать на выходе системы сигнал соизмеримой с входным сигналом в исследуемом частотном диапазоне. В частности в случае исследования динамических систем станков (для идентификации моделей которых предполагается использовать заявляемое устройство) входным сигналов в исследуемую динамическую систему 4 в большинстве случаев является внешняя сила, а измеряемыми переменными перемещения отдельных узлов станка. Таким образом в качестве вибратора 3 может использоваться электромагнитный вибратор, а измерительные преобразователи 5 могут быть вибродатчиками. Блок решения систем линейных уравнений 10 реализуется аналогично устройству для решения систем линейных алгебраических уравнений (авт. св. N 1325508 СССР, Б. И. 1987, N 27). Блоки ОЗУ 8 могут быть реализованы на основе микросхем К155РУ2 или им подобным, а универсальные регистры сдвига на микросхемах К155ИР11. При этом, если разрядность представления данных каждой составляющей спектра равна m, то разрядность блоков ОЗУ 8 также равна m, а разрядность каждого универсального регистра сдвига 9 должна равняться 2 m.

Например, если исследуется динамическая система редуктора, в которой переменными системы являются крутящий момент на входном валу и угловые положения входного и выходного вала, а определить необходимо АФЧХ звеньев, связывающих эти переменные, элементы устройства имеют следующее исполнение. В качестве вибратора 3 используется преобразователь крутящего момента, подключаемый ко входному валу редуктора. Измерительные преобразователи 5 реализуются в виде датчика крутящего момента и двух датчиков угла, подключаемых к обоим валам редуктора. Дополнительная динамическая система 16 реализуется в виде механической колебательной системы, представляющей собой маховик, подключаемый через коммутатор 15 к выходному валу редуктора. При этом коммутатору 15 соответствует электромагнитная муфта. Подключение механической колебательной системы к выходному валу редуктора соответствует динамическому звену со входом и выходом, подсоединяемыми к переменной углового положения вала в модели исследуемой динамической системы. Предлагаемое устройство, функционируя как описано выше, определяет АФЧХ звеньев, входами которых являются угловое положение выходного вала и входной крутящий момент, а суммарным выходом положение входного вала редуктора.

В общем случае число звеньев исследуемой системы, имеющих суммарную выходную переменную, определяет необходимое число дополнительных систем, через соответствующие коммутаторы, подключаемые ко входам этих звеньев, а также размерность решаемого матричного уравнения.

Изобретение позволяет расширить класс идентифицируемых динамических систем, то есть определять амплитудно-фазовые частотные характеристики систем, у которых невозможно подавать тестовые воздействия по всем необходимым для идентификации переменным системы, что расширяет функциональные возможности устройства.