RU2285282C2

RU2285282C2 - Device for determining frequency characteristics of functioning objects

Info

Publication number: RU2285282C2
Application number: RU2003100175/09A
Authority: RU
Inventors: чев Владимир Федорович Гор (RU); Владимир Федорович Горячев; Александр Сергеевич Гудим (RU); Александр Сергеевич Гудим
Priority date: 2003-01-04
Filing date: 2003-01-04
Publication date: 2006-10-10

Abstract

FIELD: automatics, possible use during identification of multi-input linear automation objects in normal operation mode.

SUBSTANCE: device operation principle is based on isolating from input and output signals of linear object of harmonic components of main frequency and determining fading and phase shift (i.e. amplitude and phase distortions) of each harmonic during passing through object. Device contains main frequency filter, generator of sinusoidal and cosine signals of harmonics of this frequency, two groups of synchronous detectors, multiplexers, computing devices, burner, device for determining relations of amplitudes and difference of phases of signals of frequencies of same name at input and output of object.

EFFECT: provision of continuous measurement of two-parameter frequency characteristics of substantially non-stationary multi-input automation object without disruption of its mode.

1 dwg

Description

Изобретение относиться к автоматике и может быть использовано при идентификации многовходовых линейных объектов автоматизации в режиме нормальной эксплуатации.The invention relates to automation and can be used to identify multi-input linear automation objects in normal operation.

Известно устройство для экспериментального определения динамических характеристик объекта (см. а.с. №184321, М. кл. G 05 В 23/02), позволяющее определить значения амплитудного и фазового искажений, вносимых объектом на данной частоте. Однако его недостатком является невозможность определения динамических характеристик функционирующих объектов, а также объектов, имеющих несколько входов.A device is known for experimental determination of the dynamic characteristics of an object (see AS No. 184321, M. class G 05 V 23/02), which allows determining the values of the amplitude and phase distortions introduced by an object at a given frequency. However, its disadvantage is the impossibility of determining the dynamic characteristics of functioning objects, as well as objects with multiple inputs.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является устройство для определения частотных характеристик функционирующих объектов автоматизации (а.с. №199229, М. кл. G 05 В 23/02), содержащее две группы гармонических анализаторов по числу анализируемых частот, подключенных к входу и выходу объекта, устройства сравнения и многоканальный синхронизатор с управляемыми ключами.Closest to the proposed technical solution is a device for determining the frequency characteristics of functioning automation objects (AS No. 199229, M. class G 05 V 23/02), containing two groups of harmonic analyzers by the number of analyzed frequencies connected to the input and output object, comparison device and multi-channel synchronizer with managed keys.

Это устройство позволяет определить частотные характеристики объекта в режиме нормальной эксплуатации. Недостатком устройства является невозможность определения характеристик объекта при наличии у него нескольких входов, так как при этом реакция объекта по исследуемому входу будет искажена вследствие наличия воздействия на других входах.This device allows you to determine the frequency characteristics of the object in normal operation. The disadvantage of this device is the inability to determine the characteristics of the object if it has several inputs, since the reaction of the object at the input under investigation will be distorted due to the presence of influence on other inputs.

Цель изобретения - обеспечение непрерывного снятия двухпараметрических частотных характеристик существенно нестационарного многовходового объекта автоматизации без нарушения его режима.The purpose of the invention is the provision of continuous removal of two-parameter frequency characteristics of a substantially unsteady multi-input automation object without violating its mode.

Достигается это тем, что к исследуемому входу объекта подключены все первые входы синхронных детекторов первой группы и последовательно включенные фильтр основной частоты и формирователь гармоник основной частоты, имеющий выходы синусоидальных и косинусоидальных сигналов этих гармоник, которые подключены ко вторым входам синхронных детекторов первой группы и к первым входам соответствующих синхронных детекторов второй группы, все вторые входы которых подключены к выходу объекта автоматизации, выходы синхронных детекторов синусоидальных сигналов первой группы через первый многоканальный мультиплексор подключены к первым входам первого и второго вычислительных устройств, предназначенных для вычисления величин, пропорциональных средней амплитуде входного и выходного сигналов одноименных частот, выходы синхронных детекторов косинусоидальных сигналов первой группы через второй многоканальный мультиплексор подключены ко вторым входам первого и второго вычислительных устройств, выходы синхронных детекторов синусоидальных сигналов второй группы через третий многоканальный мультиплексор подключены к первому входу третьего вычислительного устройства, предназначенного для определения фаз сигналов одноименных частот на входе и выходе объекта, и к третьему входу второго вычислительного устройства, выходы синхронных детекторов косинусоидальных сигналов второй группы через четвертый многоканальный мультиплексор подключены ко второму входу третьего вычислительного устройства и к четвертому входу второго вычислительного устройства, управляющие входы мультиплексоров подключены к программному устройству, выходы всех вычислительных устройств подключены к соответствующим входам определителя отношения амплитуд и разности фаз сигналов одноименных частот на входе и выходе объекта, а управляющие входы всех синхронных детекторов подключены к другому выходу программного устройства.This is achieved by the fact that all the first inputs of the synchronous detectors of the first group and the series-connected filter of the fundamental frequency and the harmonic generator of the fundamental frequency that have outputs of the sinusoidal and cosine signals of these harmonics that are connected to the second inputs of the synchronous detectors of the first group and to the first the inputs of the corresponding synchronous detectors of the second group, all of the second inputs of which are connected to the output of the automation object, the outputs of the synchronous detectors of a sinusoid channel signals of the first group through the first multichannel multiplexer are connected to the first inputs of the first and second computing devices designed to calculate values proportional to the average amplitude of the input and output signals of the same frequency, the outputs of the synchronous detectors of cosine signals of the first group through the second multichannel multiplexer are connected to the second inputs of the first and second computing devices, outputs of synchronous detectors of sinusoidal signals of the second group through the third the multi-channel multiplexer is connected to the first input of the third computing device designed to determine the phases of the signals of the same frequency at the input and output of the object, and to the third input of the second computing device, the outputs of the synchronous detectors of cosine signals of the second group through the fourth multi-channel multiplexer are connected to the second input of the third computing device and to the fourth input of the second computing device, the control inputs of the multiplexers are connected to mu device, the output of computing devices connected to respective inputs of the determinant of the amplitude ratio and phase difference between signals of similar frequencies at the input and output of the object, and the control inputs of synchronous detectors are connected to the other output device software.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.The drawing shows a functional diagram of the proposed device.

Устройство для определения частотных характеристик функционирующих объектов подключается к исследуемому входу и выходу линейного объекта 1 автоматизации. Оно содержит фильтр 2 основной частоты, выделяющий из входного сигнала периодическую составляющую K(t)·sin(ω·t). Выход фильтра 2 подключен к входу формирователя 3 гармоник основной частоты вида К_i(t)·sin(i·ω·t) и К_i(t)·cos(i·ω·t), где i=1, 2, 3... n. Выходы синусоидальных сигналов формирователя 3 подключены ко вторым входам соответствующих синхронных детекторов 4 первой группы, состоящих из последовательно включенных умножителя 5 и интегратора 6. Выходы косинусоидальных сигналов формирователя 3 подключены ко вторым входам соответствующих аналогичных синхронных детекторов 4 первой группы, также состоящих из умножителя 5 и интегратора 6. Первые входы детекторов первой группы подключены к исследуемому входу объекта. Выходы синусоидальных и косинусоидальных сигналов формирователя 3 одновременно подключены к первым входам соответствующих детекторов 4 второй группы, вторые входы которых подключены к выходу объекта 1. Выходы детекторов 4, осуществляющих операцииA device for determining the frequency characteristics of functioning objects is connected to the input and output of the linear automation object 1. It contains a filter 2 of the fundamental frequency that extracts a periodic component K (t) · sin (ω · t) from the input signal. The output of filter 2 is connected to the input of the shaper 3 harmonics of the fundamental frequency of the form K _i (t) · sin (i · ω · t) and K _i (t) · cos (i · ω · t), where i = 1, 2, 3 ... n. The outputs of the sinusoidal signals of the shaper 3 are connected to the second inputs of the corresponding synchronous detectors 4 of the first group, consisting of a series-connected multiplier 5 and an integrator 6. The outputs of the cosine signals of the shaper 3 are connected to the second inputs of the corresponding synchronous detectors 4 of the first group, also consisting of a multiplier 5 and an integrator 6. The first inputs of the detectors of the first group are connected to the studied input of the object. The outputs of the sinusoidal and cosine signals of the shaper 3 are simultaneously connected to the first inputs of the respective detectors 4 of the second group, the second inputs of which are connected to the output of the object 1. The outputs of the detectors 4, performing operations

подключены к многовходовым мультиплексорам 7, 8, 9, 10 соответственно. Управляющие входы мультиплексоров 7-10 подключены к выходам программного устройства 11, которое определяет режим работы мультиплексора. Входы мультиплексоров 7, 8 подключены к входам первого вычислительного устройства 12 и к соответствующим входам второго вычислительного устройства 13. Первое 12 и второе 13 вычислительные устройства предназначены для вычисления величин, пропорциональных средней амплитуде входного и выходного сигналов одноименных частот. Выходы мультиплексоров 9, 10 подключены к входам третьего вычислительного устройства 14, предназначенного для определения фаз сигналов одноименных частот на входе и выходе объекта, и к соответствующим входам второго вычислительного устройства 13. Выходы вычислительных устройств 12-14 подключены к входам определителя 15 отношения амплитуд и разности фаз сигналов одноименных частот на входе и выходе объекта.connected to multi-input multiplexers 7, 8, 9, 10, respectively. The control inputs of the multiplexers 7-10 are connected to the outputs of the software device 11, which determines the mode of operation of the multiplexer. The inputs of the multiplexers 7, 8 are connected to the inputs of the first computing device 12 and to the corresponding inputs of the second computing device 13. The first 12 and second 13 computing devices are designed to calculate values proportional to the average amplitude of the input and output signals of the same frequency. The outputs of the multiplexers 9, 10 are connected to the inputs of the third computing device 14, designed to determine the phases of the signals of the same frequency at the input and output of the object, and to the corresponding inputs of the second computing device 13. The outputs of the computing devices 12-14 are connected to the inputs of the determinant 15 of the amplitude and difference ratio phases of signals of the same frequency at the input and output of the object.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В режиме нормального функционирования на вход объекта 1 подается сигнал Х_вх, содержащий явно выраженную гармоническую составляющую основной частоты ω. Одновременно на другие входы объекта могут поступать сигналы другой формы от других источников. При этом периодическая составляющая сигнала исследуемого входа должна быть некогерентна периодическим составляющим на других входах объекта. Принцип работы устройства основан на выделении из входного и выходного сигналов линейного объекта гармонических составляющих основной частоты ω, определения затухания и фазового сдвига (т.е. искажения по амплитуде и фазе) каждой из гармоник в процессе прохождения сигнала через объект.In normal operation mode, the object input _Rin X 1 is fed a signal containing a pronounced harmonic component of the fundamental frequency ω. At the same time, signals of a different form from other sources may be received at other inputs of the object. In this case, the periodic component of the signal of the studied input should be incoherent to the periodic component at the other inputs of the object. The principle of operation of the device is based on the selection of the harmonic components of the fundamental frequency ω from the input and output signals of a linear object, the determination of attenuation and phase shift (i.e., distortion in amplitude and phase) of each harmonic during the passage of the signal through the object.

Фильтр 2 основной частоты ω выделяет явно выраженную периодическую составляющую K(t)·sin(ω·t), из которой формирователь 3 формирует сигналы вида: К_i·sin(i·ω·t) и K_i·cos(i·ω·t) с нормированной амплитудой К_i. Здесь i=1, 2, 3... n.The filter 2 of the fundamental frequency ω selects an explicitly expressed periodic component K (t) · sin (ω · t), from which the driver 3 generates signals of the form: K _i · sin (i · ω · t) and K _i · cos (i · ω · T) with a normalized amplitude K _i . Here i = 1, 2, 3 ... n.

Формирование этих сигналов может быть выполнено, например, с помощью цифровых решающих устройств, определяющих решение дифференциального уравнения свободных колебаний линейного вибратора, возбужденного входным сигналом, или с помощью фильтров в аналоговой форме.The formation of these signals can be performed, for example, using digital solvers that determine the solution of the differential equation of free vibrations of a linear vibrator excited by an input signal, or using filters in analog form.

Каждый сигнал вида К_i·sin(i·ω·t) и К_i·cos(i·ω·t) с формирователя 3 подается на второй вход своего детектора 4 первой группы и на первый вход соответствующего детектора второй группы. На первые входы всех детекторов 4 первой группы подается входной сигнал х_вх. Таким образом, первая группа детекторов выполняет математические операции

где Т - интервал интегрирования, задаваемый программным устройством 11 по управляющему входу для всех детекторов 4 обеих групп одновременно.Each signal of the form K _i · sin (i · ω · t) and K _i · cos (i · ω · t) from the shaper 3 is fed to the second input of its detector 4 of the first group and to the first input of the corresponding detector of the second group. The first inputs of all four detectors of the first group is fed the input signal x _Rin. Thus, the first group of detectors performs mathematical operations

where T is the integration interval specified by the software device 11 at the control input for all detectors 4 of both groups simultaneously.

На вторые входы всех детекторов 4 второй группы подается выходной сигнал х_вых объекта 1. Таким образом, вторая группа детекторов выполняет математические операцииThe second inputs of all detectors 4 of the second group are supplied with the output signal of the x _output object 1. Thus, the second group of detectors performs mathematical operations

Значения а_i и b_i пропорциональны коэффициентам разложения в ряд Фурье периодической составляющей входного сигнала, а значения d_i и с_i пропорциональны коэффициентам разложения в ряд Фурье периодической составляющей выходного сигнала.The values of a _i and b _{i are} proportional to the coefficients of expansion in the Fourier series of the periodic component of the input signal, and the values of d _i and c _{i are} proportional to the coefficients of expansion in the Fourier series of the periodic component of the output signal.

Сформированные на выходах детекторов сигналы а_i, b_i, d_i и с_i с помощью многовходовых мультиплексоров 7, 8 и 9, 10 (управляющий вход которых подключен ко второму входу программного устройства 11), последовательно подключают выходы детекторов одноименной частоты к соответствующим входам вычислительных устройств 12-14, которые выполняют следующие операции:The signals a _i , b _i , d _i and c _i formed at the outputs of the detectors using multi-input multiplexers 7, 8 and 9, 10 (the control input of which is connected to the second input of the software device 11), the outputs of the detectors of the same frequency are connected in series to the corresponding inputs of the computing devices 12-14, which perform the following operations:

Вычислительное устройство 12 -

;Computing device 12 -

;

Вычислительное устройство 13 -

;Computing device 13 -

;

Вычислительное устройство 14 -

Computing device 14 -

Величины В_i и С_i пропорциональны средней амплитуде входного и выходного сигналов на частоте i·ω, а величины D_i и Е_i характеризуют фазу периодической составляющей на входе и выходе объекта.The values of B _i and C _{i are} proportional to the average amplitude of the input and output signals at a frequency i · ω, and the values of D _i and E _i characterize the phase of the periodic component at the input and output of the object.

Все входы устройств 12-14 подключены к входам устройства 15, которое определяет для одноименных частот отношение амплитуд сигналов В_i и С_i,All inputs of the devices 12-14 are connected to the inputs of the device 15, which determines the ratio of the amplitudes of the signals B _i and C _i for the frequencies of the same name,

и разность фаз сигналов D_i и Е_i,and the phase difference of the signals D _i and E _i ,

Выражение (1) определяет значение амплитудной частотной характеристики на частоте i·ω, а выражение (2) - значение фазовой частотной характеристики на частоте i·ω.Expression (1) determines the value of the amplitude frequency response at a frequency i · ω, and expression (2) determines the value of the phase frequency response at a frequency i · ω.

По окончании вычислений A(i·ω) и Δφ(i·ω) по команде программного устройства 11 все интеграторы 6 детекторов 4 сбрасываются на ноль для одновременного начала следующего цикла вычислений.Upon completion of the calculations A (i · ω) and Δφ (i · ω), by the command of the software device 11, all integrators 6 of the detectors 4 are reset to zero to simultaneously start the next cycle of calculations.

Таким образом, устройство позволяет определять мгновенные значения многоточечной двухпараметрической характеристики многовходового линейного объекта со скоростью, соответствующей скорости производимых вычислений.Thus, the device allows you to determine the instantaneous values of the multipoint two-parameter characteristics of a multi-input linear object with a speed corresponding to the speed of the calculations.

Claims

A device for determining the frequency characteristics of functioning automation objects, containing a determinant of the ratio of the amplitudes and phase difference of the signals of the same frequency at the input and output of the object, a software device, computing devices, multiplexers, detectors of the first and second groups, a fundamental frequency harmonic generator and a fundamental frequency filter, all first inputs of synchronous detectors of the first group and series-connected filter of the fundamental frequency and a fundamental frequency harmonic generator having outputs of sinusoidal and cosine signals of these harmonics, which are connected to the second inputs of synchronous detectors of the first group and to the first inputs of the corresponding detectors of the second group, all second inputs of which are connected to the output of the automation object, the outputs of synchronous detectors of sinusoidal signals of the first group through the first multichannel multiplexer is connected to the first inputs of the first and second computing devices for calculating quantities proportional to the average amplitude of the input and output signals of the same frequency, the outputs of the synchronous detectors of cosine signals of the first group through the second multi-channel multiplexer are connected to the second inputs of the first and second computing devices, the outputs of synchronous detectors of sinusoidal signals of the second group through the third multi-channel multiplexer are connected to the first input of the third computing device, designed to determine the phases of the signals of the same frequency at the input and output of the object, and to tr the second input of the second computing device, the outputs of the synchronous detectors of cosine signals of the second group through the fourth multi-channel multiplexer are connected to the second input of the third computing device and the fourth input of the second computing device, the control inputs of the multiplexers are connected to the software device, the outputs of all computing devices are connected to the corresponding inputs of the amplitude ratio determiner and the phase difference of the signals of the same frequency at the input and output of the object, and directs all the inputs of synchronous detector connected to another output of the device software.