DE2341496C3 - Infraniederfrequenter Analysator für Übertragungsfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen irfianiederfiequenten Analysator für übertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken, mit einem elektromechanischen Oszillator zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen, einem Drehtransformator, der mit der Abtriebswelle des elektromechanischen Oszillators zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen mechanisch verbunden ist. einem Modulator, der mit dem Drehtransformator verbunden ist. sowie einen: Gerät /ur Registrierung der Amplitude des Ausgangssignals der /Li analysierenden Strecke

Die Erfindung kann zur l'nlcrsuchun.a von zähelastischen Eigenschaften von verschiedenen Stoffen, beispielsweise Polymeren, in einem breiten Bereich von inl'raniedrigen Frequenzen angewende: worden.

außerdem kann der Analysator als Differentialzerleger von Vektoren harmonischer Schwingungen in verschiedenen Analogrechnern eingesetzt werden.

Bekannt sind verschiedene infraniederfrequenie -\nalysatoren der übertragungsfunktion.

Ein bekannter Analysaior der übertragungsfunktion (SU-Errinderschein Nr. 174805. IPK GOId. SU-KL 42d. 51 ist mittels eines Generators infraniedriger Frequenzen, Multiplizierern und Integratoren auseeführt. .

Ein Nachteil dieses Typs des lnfraniederfrequenten Analysator der übertragungsfunktion ist die unumgängliche Integrierung des Produktes aus Amplituden von Storsignalen und das Ansprechen der zu untersuchenden Strecke auf Störungen während der Dauer des Störsignals sowie der hierdurch bedingte erhebliche Zeitaufwand bei der niederfrequenten Analyse.

Beispielsweise würde bei Frequenzen in der.Größenordnung von !()"" Hz die minimale Meßzeit über (I Tage'bet ragen. Es ist offensichtlich, daß außer dem beträchtlichen unproduktiven Zeitaufwand die erforderliche Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Messungen kaum gewährleistet werden können.

Das ist "in erster Linie durch schwer erfüllbare Anforderungen an die Drift der Integratoren bedingt, die es nicht erlauben, zuverlässige Messungen bei Freiuietven unter IO * Hz durchzurühren.

Außerdem ist der Einsatz von zwei Multiplizierern und zwei Integratoren zur Analyse eines Signals erforderlich, ferner die mathematische Auswertung der Meßergebnisse zur Konstruktion der Amplituden-Frequenz- und der Phasen-Frequenz-Kennlinie der Strecke.

Bekannt ist ferner ein Analysator der übertragungsfunktion, der einen elektromechanischen Oszillator zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen, einen Drehtransformator, der mit der Abtriebswelle des elektromechanischen Oszillators zur Erzeugung infraniedriger Frequenzen mechanisch verbunden ist. einen Modulator, der mit dem Drehtransformator verbunden ist. sowie ein Registriergerät enthält.

Der Nachteil dieser Art von Analysatoren der übertragungsfunktion besteht darin, daß sie eine hohe Dauer der Messung von Parametern des zu analysierenden Signals bei infraniedriuen Frequenzen aufweisen.

Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, unter Beseitigung der erwähnten Nachteile einen infraniederfrequenten Analysator der übertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken zu schaffen, mit dessen Hilfe die Meßdauer von Parametern des zu analysierenden Signals, und zwar Phase. Amplitude, Real- und Imaginärteil des vorliegenden zu analysierenden Signals, verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem infraniederfrequenten Analysator der eingangs genannten Art erfindungsgemaß gelöst durch einen Anpassungsverstärker, eine Differenziereinrichtung, die an den Anpassungsverstärker und über den Modulator an eine Läuferwicklung des Drehtransformators angeschlossen ist. sowie ein Glättungsfilter, das an den Anpassungsverstärker parallel zur Differenziereinrichtung und über einen anderen Modulator an eine zweite Läuferwicklung des Drehtransformators angeschlossen ist, während an eine Ständerwicklung des Drehtransformator ein Wechsclspannungsverslärker angeschlossen ist, der mit einem Stellmotor verbunden ist.

der mit dem Stander des Drehtransformator* mechanisch verbunden ist, an dem eine Phasenwinkelableseeinrichtung zur Analyse der zu untersuchenden Strecke befestigt ist. wogegen an eine andere Ständerwieklunii des Drehtransformator* über einen Schalter ein Registriergerät angeschlossen ist.

Der infraniederfrequente Analysator wird weitergebildet durch einen zweiten Drehtransformator, dessen Ständer mit dem Ständer des ersten Drehtransformators mechanisch verbunden ist, wobei Ständerwicklungen des zweiten Drehtransformator* über de./ Schalter abwechselnd an das Registriergerät angeschlossen werden, während eine Läuferwicklung des /weiten Drehtransformators an einen Anpassunasvviderstand. cne andere Läuferwicklung aber an die zweite Sumderwieklung des ersten Drehtransformator* angeschlossen ist

Der Einsät/ des infraniederfrequenten Analysator der übertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken fuhrt zur Verkürzung der Meßdauer von Parametern des zu untersuchende» Ausgangs.signals der Strecke, zur Erhöhung der Meligenäuigkeit der Parameter des zu untersuchenden Ausgansissiüiials der Strecke, zur Erweiterung des Meßbereichs der Parameter des zu untersuchenden Ausgangssignals der Strecke in das Gebiet der niedrigen Frequenzen hinein sowie zur Erhöhung der Anzahl der zu messenden Parameter.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Besehreibung eines Ausführungsbeispiels durch die _J0 Zeichnung erläutert: in deren Figur ein elek Tisches Funktionsschaltbild de* infraniederfrequcnten Analysatorder Cbertragungsfunktion gemäß der Erfindung dargestellt ist.

Es sei nun dieser infraniederfrequente Analysator der Cbertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken betrachtet

Eine zu untersuchende Strecke 1 der Figur wird an einen Anpassungsverstärker 2 angeschlossen, an dessen Ausgang ein (nicht gezeigtes) Tiefpaßfilter geschaltet ist

An den Anpassungsverstärker 2 sind eine Differenzicreinnchtiing 3 und dieser parallel ein Glättungsfilter 4 angeschlossen Die DifTerenziereinrichtung 3 gewährleistet eine Phasenverschiebung der Spannung vom Anpassungsverstärker 2 um 90 bezüglich der Phase der Ausgangsspannung des Glättungsfilter* 4. Die Differen.:iereinrichtung 3 ist über einen Modulator 5 an eine Läuferwicklung 6 eines Drehtransformators 7 angeschlossen.

Das Glättungsfilter 4 ist über einen Modulator 8. der mit dem Modulator 5 identisch ausgeführt ist. an eine Läuferwieklung 9 des Drehtransformators 7 angeschlossen.

Der Läufer des Drehtransformators 7 ist mit einer Abtriebswelle 10 eines elektromechanischen Oszillators 11 zur Erzeugung von infranicdr.gen Frequenzen mechanisch verbunden. Die Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Abtriebswelle 10 des elektromechanischen Oszillators 11 zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen ist gleich der Frequenz des elektromechanischen Oszillators 11. d.h.. die Umdrehungszeit der Abtriebswelle 10 um 3W) ist gleich der Periode der harmonischen Schwingungen der Ausgangsspanniing. die in die zu untersuchende Strecke 1 eingespeist ist

Die Spannung von den Läuferwicklungen 6. 9 wird auf die Ständerwicklunu 12 des Drehtransformators 7 transformiert, der an einen W'echselspannungsvei.stärker 13 angeschlossen lsi Der Wechselspannung·^erstarker 13 ist durch einen Stellmotor 14 belastet, der mit dem Slander des Drehtransformator* 7 und cmc·, weiteren Drehtransformators 15 mechanisch verbunden ist.

Fine .Ständerwicklung 16. auf die gleichfalls die Spannung von den Lauferwicklungen 6. 9 transformiert wird, wird über einen Schalter 17 an ein Registriergerät 18 angeschlossen, das in der Amplitude des zu analysierenden Signals geeicht isl.

Mit dem Stander des Drehtransformator 7 ist eine Phasenwinkelableseeinnchtung 19 zur Anahse des Signals der zu untersuchenden Strecke mechanisch verbunden.

Eine Läuferwteklung 20 des Drehtransformator-· 15 ist an die Ständerwicklung 16 des Drehtransformator* 7 angeschlossen, während eine Fauler··· leklung 21 des Drehtransformator 15 an einen Anpassiing*- widersiand 22 angeschlossen ist.

Die Spannung w»n der Läuferuicklung 20 lies Drehtransformator* 15 wird auf Ständerwicklungen 23. 24 transformiert, die übei den Schalter 17 abwechselnd an das Registriergerät 18 angeschlossen werden.

Der inlVaniederfrequenie Analysator der C heruagungsfunktion arbeitet folgenderweise:

Die /u untersuchende Strecke 1. als welche beliebige Steuer- und Regelstrecken gewählt werden können, wird durch Spannung infraniedriger Frequen/ gestört, die vom elektromechanischen Oszillator 11 zur Fr/eugung ion mfraniedrigen Frequenzen geliefert wird.

Das zu analysierende Signal vom Ausgang der /u untersuchenden Strecke 1 gelangt in Form elektrischer Spannung in den Anpassung*verstärker 2. Im Anpas.sungsverstärker 2 ist ein Filter eingebaut, dessen Amplituden- Frequen/- Kennlinie entsprechend der Spektralverteilung von Geräuschen und Störungen gewählt wird, die das zu analysierende Signal begleiten.

Zur Gewährleistung einer konstanten Phasenverschiebung des /u analysierenden Signals, die durch das Fil'er eingeführt wird, wird das letztere vom Bediener gemäß der Frequenz des elektromechanischen Oszillators Il zur Erzeugung von mfraniedrigen Frequenzen umgestimmt.

DieAusgangsspannungdcs Anpassungsversiärker* 2 sieht wie folüt aus:

{.'·. ■ sin

</„

55

60

Spannungsamplilude. die der Amplitude des zu analysierenden Signals proportional ist.

Kreisfrequenz.
Zeit.

gesuchter Phasenwinkel, der durch die zu untersuchende Strecke 1 eingeführt wird. Phasenwinkel, der von dem Filter eingeführt wird, das am Eingang des Anpassungsverstärkers 2 eingeschaltet ist.

Diese Spannung wird unter Glätten \on hochfrequenten Störkomponenien durch die Differenzier-

einrichtung 3 mit der übertragungsfunktion differen- mit

^/IC" 7, --- (ilättunts/eitkonstante.

K₁ - Verstärkungsfaktor des (ilältimgslilters 4.

¹V" ¹Z⁷' ⁼ ι J Jp ' '"' 5 Die /.eltkonstante I₂ des Cilättiingslilters 4 wird

gleich der Glättunus/eilkonstanlcn 7, der Differen-

mit zieleinrichtung 3 genommen, während der Verstär-

.. .-.„. ■ · . kuimsfaktor K, uleith 7'- ■ <■< im iiesamten Bereich der

/ = DifferenzierunnszeitkoiistaiHe. .,."... ' .' ·

. _Λ ".·. ,, ι mtranicdrmen I rcquenzcn ist.

η = Operator \on ( a r s ο η - H e a \ ι s ι c le. ,. . ·- . ,.,.. .., . ■

' ,.}.., ι , , ι" liie AiiMiangsspannunu des Glattunuslilters 4 ist

7, = Glattuimszeitkonstantc. . , ^ '

¹ ·- gleich

Die Zeitkonstanten 7,-, 7, andern sich ge η κι U der V₁ ■ K •sinl-.f </,, - y, ■■- <_/2> l-^sl
l-'requenz des elektromechanischen Oszillalors Il zur
Erzeugung \on infraniedrigen Frequenzen so. daß 15 wegen
die Beziehung T₁-. ■ <■. = const: 7, ■ <·> = const eingehalten wird und die von der Differenziereinrichtung3 K₁ 7,- ■ 1;
eingeführte Phasenverschiebung gleich ist: . ₂ ⁼ ' -K-

.7 T

Vn = -, - arctg7, ·■· - _Λ - vi - const. Di_c Spannung

Die Ausgangsspannung der Differenziereinrich- 25 der Differenziereinrichtung 3 wird vom Modulator 5 tung 3 sieht wie folgt aus: moduliert und gelangt in die Läuferwicklung 6 des

Drehtransformators 7. Die Spannung

L₂ ■ K ■ cosier - 7₍₎ - ν, - '/_:). (3)

30 U₂-K- sin (.„i - (,„ - _(/l - V₂)

des Glättungsfilters 4. das mit derselben Bezuszs-

_{K =} Ji ■_'[' ₌ Übertragungsfaktorder frequenz vom Modulator 8 moduliert wird, gelangt

.] α. 7"5 ·',.,- Differenziereinrichtung 3. in die Läufcrwicklung 9 des Drehtransformators 7.

35 Der Läufer des Drehtransformators 7. der sich mit einer Winkelgeschwindigkeit m dreht, besitzt eine

v_: = arctg T₁ ■ <■> = Phasenverschiebung durch die Phasenverschiebung bezüglich des Ständers gleich Glatt ungsoperation.

Die Spannung L₂ · sinlfW — </₀ — */,) gelangt auch '"' ~ Vi ~~ 1i-

in das Glättungsfilter 4 mit der übertragungsfunktion

und in der Ständerwieklung 12 entsteht eine Spannung

H (Pi — __ ^i ιλ\ L/|₂, die von den Läufervvicklungen 6. 9 transformiert

'" ~ YVf₂-P " ' ' wird:

mit K₁ ·_- = übersetzungsverhältnis des Drehtransformators 7.

Diese Spannung wird vom Wechselspannungsverstärker 13 verstärkt, der mit dem Stellmotor 14 verbunden ist. Der Stellmotor 14 dreht die Ständer der Drehtransformatoren 7,15 so lange:, bis die Spannung in der Ständerwieklung 12 des Drehtransformators 7 gleich Null geworden ist, d. h.

C₁₂ = Kj- [L₂ K sini-.i - ?_n - 9, - 9₂I cosl··./ - 7, - ?₂ - 9) - L₁ K cos(«.l - _9o - _?I - _?2) ■ sind·.! -7,-92-9)]=°

mit <f = Drehwinkel des Ständers, herbeigeführt vom Stellmotor 14.

Aus der Gleichung (7) folgt U₁₂ = O bei <f = <p₀, d. h., der Drehwinkel des Slanders des Drehtransformators 7 ist gleich dem gesuchten Phasenwinkel des zu analysierenden Signals.

Der Dreh winkel wird von der Ableseeinrichtung 19 abgelesen, die am Ständer des Drehtransformators 7 befestigt ist.

In der Ständerwieklung 16 des Drehtransformators 7 wird von den Läuferwickiungen 6, 9 die Spannung

L'», = Kr-- i^l2 ' ^{K s}'n< <"' - 9n - 9, - V₂I sin{.·,( - 9, - _V2 - <,) + V₂ ■ K ■ cos(,.,t - _T„ - _?n - ₇₂) cos(<..( - 9, - »₂ - 7)]

(8) transformiert.

1 f J U

Bei γ

ν., üilt

d.h.. die Spannung in der Ständern ickiung 16 des Drehtransformators 7 ist der gesuchten Amplitude s des /u analysierenden Signals proportional.

Diese Spannung gelangt über den Schalter 17 an das Registriergerat 18. \on dem die Amphtudengrößc des /u analysierenden Signals abgelesen und.

Dieselbe Spannung gelangt in die Läuferwicklung 20 des Drehtransformaiors 15. dessen Laufer abgebremst ist. und der Stander dreht sich mil dem Stander des Drehtransformators 7 in Phase.

Auf die Ständerwicklungen 23. 24 des Drehtransformaiors 15 wird jeweils eine Spannung

transformiert, mit
K₁

K₁

,. ■ sin 7

HO)

= L'bersetzungsverhältnis des Drehtransformators 15.

(.',, = Spannung in der Suinderwieklung 23. L₂₄ = Spannung in der Ständerwieklung 24.

Bei 7 = 7„ ist die Spannung in der Standerwicklung 23 dem gesuchten Realteil des zu anaivsiercnden Signals proportional:

_;, = K₁
= Av',

V₁,, ■ cos

L₂K- cos _7ll.

und die Spannung in der Ständerwicklung VA ist dem

Im;iLjin.ittci 1 des /u analysierenden Signals proportional:*

Av', ι, ■ Av, L₂K- sin </,, .

Vu h den gemessenen Parametern de¹· zu analysierenden Signals. Amplitude. Phase. Real- und l.maginarleil. werden Amplituden-Frequenz- sowie Phasen-Frequenz-Kennlinien des zu untersuchenden System» konstruiert sowie Abhängigkeiten des Real- und de» Imaginärteiles des zu analysierenden Signals von der Frequenz, beispielsweise die Abhängigkeit des dynamischen Elastizitätsmoduls und des dynamischer Moduls der dielektrischen Verluste im Material al· Frequenzfunktion, bestimmt.

Der infra niederfrequente Analysator der Γ 'hertragungsfunktion \on Steuer- und Regelstrecken kann ein in den Anpassungsverstärker eingebautes Filter mit beliebiger Amplitudcn-Frequcnz-Kennlinie besitzen, die die Speklralverteilung von Geräuschen und Störungen optimal berücksichtigt, die das zu analysierende Signal begleiten. Der analysierende Teil des infranicderfrcqucnicn Analysator» der übertragungsfunktion, der aus zwei Drehtransformatoren aufgebaut ist. mißt vier Hauplparameter des Signals (Amplitude. Phase. Real-und Imaginärteil (unabhängig von der Zeit und der Periode des zu anahsierenden Signals.

Die Meßzeit der Parameter des zu analysierenden Signals wird hauptsächlich von der Dauer des Einschwingens der Filter bestimmt, die im infraniederfrequenten Analysator der übertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 641/272

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Infraniederfrequenter Analysator fur übertragungsfunktion von Steuer- und Regelstrecken. mit einem elektromechanischen Oszillator zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen, einem Drehtransformator, der mit der Abtrieb>wel!e des eleiktromechanischen Oszillators zur Erzeugung von infraniedrigen Frequenzen mechanisch verbunden ist, einem Modulator, der mit dem Drehtransformator verbunden ist, sowie einem Gerät zur Registrierung der Amplitude des Ausgangssignals der zu analysierenden Strecke, gekennzeichnet durch einen Anpassungsverstar- ker (2). eine Differenziereinrichtung (3). die an den Anpassungsverslärker (2) und über den Modulator (5) an eine Läuferwicklung (6) des Drehtransformator (7) angeschlossen ist, sowie ein Glättungsfilter (4). das an den Anpassungsverstärker (2) parallel zur DifTerenziereinrichlung (3i und über einen anderen Modulator (8) an eine /weite Läufervwcklung |9) des Drehtransformator (7) angeschlossen ist. während an eine Ständerwieklung (12) des Drehtransformators (7i ein Wechsdspannungsverstarker 113) angeschlossen ist. der mit einem Stellmotor 114) verbunden ist. der mit dem Ständer des Drehtransformators (7) mechanisch verbunden ist, an dem eine Phasenwmkelableseemrichtung I l9)/ur Analvseder zu untersuchenden Strecke Il) befestigt ist. wogegen an eine andere Standerwicklung (16) des Drehtransformator |7) über einen Schalter (17) ein Registriergerät (18) angeschlossen ist.

2. Infraniederfrequenter Analysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen /weilen Drehtransformator (15). dessen Ständer mit dem Ständer des ersten Drehtransformators (7) mechanisch verbunden ist. wobei Siänderwicklungen (23, 24) des /weiten Drehtransformator >( 15) über den Schalter (17) abwechselnd an das Registriergerät II81 angeschlossen werden, während eine Lauferwicklung (21) des zweiten Drehtransformators (15l an einen Anpassungswiderstand (22). eine andere Laufervvicklung (20) aber an die zweite Ständerwicklung (16) des ersten Drehtransformator (7? angeschlossen ist.