SU734623A1 - Устройство дл определени фазочастотной характеристики динамического объекта - Google Patents

Description

Изобретение относится к области автоматики, а именно к устройствам для получения информации о динамических свойствах объектов. Оно может быть использовано для определения оптимальных параметров настройки регуляторов ⁵ в системах автоматического регулирования и, в частности для определения частотных характеристик.

Известны устройства для определения . частотных характеристик [1J, содержащие генератор периодических колебаний на входе и регистратор на выходе объекта. В этих устройствах фазу, соответствующую заданной частоте, получают либо в ₁₅ результате обработки диаграммы регистратора либо после измерения показывающими приборами - анализаторами частотных характеристик.

Недостатком этих устройств является _м относительная сложность определения фазы, заключающаяся в трудоемкости обработки диаграммы (установке оптимальной скорости диаграммы, сдвиге перьев.

и пр.)в первом случае и увеличении их веса и усложнении схемы — во втором.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для определения фазочастотной характеристики динамического объекта И, содержащее нелинейный элемент, вход которого соединен с выходом динамического объекта.

В результате исключения сложного узла измерения фазы известное устройство упрощается и облегчается, что особенно важно для пусконаладочных организаций, занимающихся расчетом и настройкой автоматических систем регулирования. Параметры амплитудно-фазовой характеристики (модуль и фазу объекта) определяют путем математических расчетов по результатам измерения частоты и модуля автоколебаний при различных заданных значениях постоянной времени фильтра, включенного между выходом нелинейного элемента и входом, динамического объекта.

К недостаткам устройства относятся сложность математической обработки и неоднозначная зависимость постоянной времени фильтра ст определяемых параметров.

Цель изобретения - увеличение быстродействия устройства, т.е. сокращение времени получения информации о динамических свойствах объекта в заранее выбранных точках амплитудно-фазовой характе- 1 ристики, характеризуемых заданным углом отставания.

Эта цепь достигается тем, что в устройство введены интегратор и последовательно соединенные импульсатор, сигнум- ¹ реле, триггер и делитель, выход которого подключен ко входу динамического объекта, причем вход и выход интегратора соединены с соответствующими выходом и входом сигнум-реле.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства/ на фиг. 2 - фазочастотная и амплитудно-частотная характеристики послевключенного звена,* на фиг. 3 - эпюра сигналов послевключенного звена с выделенной эпюрой сигналов одного цикла (полупериода)^ на фиг. 4 электрическая схема интегратора.

Устройство для определения фазочастотной характеристики динамического объекта 1 содержит нелинейный элемент (элемент сравнения) 2, послевключенное· звено 3, в состав которого входят импульсатор 4, сигнум-реле 5, интегратор 6, триггер 7 со счетным входом и тель 8.

Интегратор (фиг. 4) включает в операционные усилители 9-11.

Устройство работает следующим зом.

Сигнал X вх объекта 1 исследования воздействует на нелинейный элемент 2, который формирует релейную характеристику с выходным сигналом Х_о , сдвинутым по фазе на 180^е. В контуре возникает автоколебательный режим, при котором должен соблюдаться баланс фаз, т.е. iso® = -γ+Υο где — угол отставания послевключенного звена 3, угол отставания объекта исследования.

Если послевключенное звено 3 имеет фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики, показанные на фиг. 2, то для любой частоты можно записать;

(1) делисебя обра—

Ψ_ο»180-Τ

Таким образом, установив угол 'у* согласно выражению (1) на послевключенном звене и измерив частоту (и амплитуду) сигнала после того как установится автоколебательньгй режим, мы получим информацию об интересующей нас точке фазочастотной характеристики, характеризуемой углом Чо . Измерение осуществляют следующим образом (см. фиг. 3), Единичный сигнал Х_о с выхода нелинейного элемента со знаком, противоположным входному сигналу, воздействует на импульсатор 4, в результате чего при каждом 'перекидывании' формируется кратковременный импульс , заставляющий срабатывать сигнум-реле 5, которое блокируется сигналом заданного уровня Хэа^. Сигнум-реле включает интегратор 6 на заряд емкости (возрастание сигнал Х-)) со скоростьюУ^4-При равенстве сигналов Xj и Х_заб сигнум-реле возвращается в первоначальное состояние и переключает интегратор на разряд. При этом сигнал Хт, убывает со скоростью Vpqyp до тех пор, пока не произойдет новое 'перекидывание'. ” цикл повторяется.

Каждое переключение исходное состояние вызывает переключение триггера 7 со счетным входом, сигнал которого подается на делитель 8.

Согласно эпюре фиг. 3, фаза, установленная на устройстве, <Т/2)-Г Т-2Т где Т - период колебаний;

't- время отставания входных колебаний от выходных.

Представляя уравнение (2) в ние (1), будем иметь

I

После этого сигнум-реле в (2) выраж-е— ло

Учитывая, что (5) где All м -... All.. , ^V3qp“ ад-г ^Νρα^ρ Т величина изменения сигнала на интеграторе, .окончательно получают:

it ___.

Для определения периода колебаний используется информация, полученная при (6) измерении Δ(ι } согласно уравнению (4) с учетом уравнения (5)

Τ-2δΉ ^^2352, \αρ^νραιρ (7)

Линейность шкалы установки угла и ⁵ шкалы измерения периода достигается применением реверсируемого сигнум—реле интегратора, соотношение скоростей которого устанавливается делителем емкое- ₎₀ тей или сопротивлений. Так, для интегратора 4, выполненного на электронной аппаратуре с делителем сопротивлений

R с ’ (8) ^Vpa3p⁼ R С ’ (θ)

Л ’2. 15 где К - постоянная величина, определяемая опорным напряжением}

С. - емкость интегратора}

R-tiRg- сопротивление интегратора.

Подставив выражения (8) и (9) в ₂₀ уравнения.(6) и (7), получим:

(KiRf) &

VCK[R₄cHK/R₂c)^=1t vr₂’ (K[R^C)+CKJR₂C) ^Ί=2^ CKIR₄CHK|R₂C) *

2x110

Отсюда следует, что если сумма R^-vRg постоянна, то фаза линейно зависит от величины установленного сопротивления ³⁰ Rg, а период линейно зависит от измеряемой величины δΊί при постоянной величине , которая в данном приборе служит для изменения пределов : шкалы,.

Интегратор работает следующим обра- 35 зом.

До прихода импульсного сигнала Xj на операционный усилитель 9, работающий в релейном режиме, реле РП находится в исходном состоянии (условно принятое за отключенное) за счет смещения U _CN< . Под действием импульсного сигнала реле срабатывает и блокируется контактами РП-1, Операционный усилитель . 11, работающий в режиме интегратора, ⁴⁵ посредством контактов РП-3 включается на заряд емкости 6, Сигнал X возрастает, до тех пор, пока не станет равным после чего реле РП возвращается в исходное состояние.

Контакты РП—3, РП—2, РП—1 размыкаются, а контакт РП—4 включает интегратор на разряд - на инвертированное операционным усилителем 10 опорное напряжение (Uofl )· Сигнал Х^ убывает при ^s этом до тех пор, пока следующий сигнал Хд не заставит сработать реле РП. Пос ле этого цикл повторяется.

Качество работы промышленных автоматических систем регулирования во многом определяется методами их оптимизации при введении в эксплуатацию. В настоящее время доказано, что наиболее совершенными являются частотные методы, при которых используются в качестве информации амплитудно-фазовые характеристики объекта регулирования. Пусконаладочные организации не могут использовать эти методы из-за отсутствия простых и легких приборов для снятия частотных характеристик, больших трудозатрат и времени для сняти и обработки этих характеристик.

Предложенное устройство позволяет повысить точность измерений и сократить количество экспериментов за счет определения параметров амплитудно-фазовой характеристики в требуемых точках, сократить время и трудозатраты за счет исключения вычерчивания графиков и их обработки. При этом работа может быть выполнена наладчиками более низкой квалификации.

Устройство обеспечивает вполне достаточную точность, оно не дороже серийно выпускаемых регуляторов, вес устройства не превышает 7—8 кг, а ремонт вполне может быть выполнен в мастерских контрольно-измерительных приборов.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к области автоматики, а именно к устройствам дл  получени  информации о динамических свойствах объектов. Оно может быть использовано до  опредвпени  оптимальных параметров настройки регул торов в системах автоматического регулировани  и, в частности дл  определени  частотных характеристик. Известны устройства дл  определени  частотных характеристик ij, содержащи генератор периодических колебаний на входе и регистратор на выходе обьекта, В этих устройствах фазу, соответствующую заданной частоте, получают либо в результате обработки диаграммы регистратора либо после измерени  показывающими приборами -анализаторами частотных характеристик. Недостатком этих устройств  вл етс  относительна  сложность опредэлени  фазы , заключающа с  в трудоемкости обработки диаграммы (установке оптимальной скорости диаграммы, сдвиге перьев. И пр.)В первом случае к увеличении их веса и усложнении схемы - во втором. Наибоп&amp;е близким к изобретению техническим решением  вл етс  устройство дл  определени  фазочастотной характеристики динамического объекта 2j, содержащее нелинейный элемент, аход которого соединен с выходом динамического объекта , В результате исключени  сложного узла измерени  фазы известное устройство упрощаетс  и облегчаетс , что особенно важно дл  пусконаладочньк организаций, занимающихс  расчетом и настройкой автоматических систем регулировани . Параметры a шIитyднo-фaзoвoй характеристики (модуль к фазу объекта) опредеЛ5пот путем математических расчетов по результатам измерени  частоты и модул  автоколебаний при различных заданных значени х посто нной времени фильтра, включенного между выходом нелинейного элемеипга и входом, динамического объекта. К недостаткам устройства относ тс  сложность математической обработки и неоднозначна  зависимость посто нной времени фильтра от определ емых параме ров. Цель изобретени  увеличение быстро действи  устройства, т.е. сокращение вре мени получени  информации о динамических свойствах объекта в заранее выбранных , точках амплитудно-фазовой характеристики , характеризуемых заданным угло отставани . Эта цепь достигаетс  тем, что в устройство введены интегратор и последовательно соединенные импульсатор, сигнумреле , триггер и делитель, выход которого подключен ко входу динамического объекта , причем ьход и выход интегратора соединены с соответствующи О1 выходом и входом сигнум-реле, На фиг. 1 представлена структурна  схема устройства, на фиг. 2 - фазочастотна  и амплитудно-частотна  характеристики послевключенного звена, на фиг, 3 - эпюра сигналов послевключенного звена с выделенной эпюрой сигналов одного цикла (полупериода) на фиг. электрическа  схема интегратора. Устройство дл  определени  фазочастотной характеристики динамического объекта 1 содержит нелинейный элемент (элемент сравнени ) 2, послевключенное звено 3, в состав которого вход т импульсатор 4, сигнум-реле 5, интегратор 6, триггер 7 со счетным входом и делитель 8, Интегратор (фиг. 4) включает в себ  операционные усилители 9-И, Устройство работает следующим обраaofvi . Сигнал -Qf, объекта 1 исследовани  воздействует на нелинейный элемент 2,. который формирует релейную характеристику с выходным сигналом XQ , сдвинутым по фазе на . В контуре возникает автокопебапгапьный режим, при кото ром должен соблюдатьс  баланс фаз, т,е. JtVo ГД8 - угол отставани  послевключе ного звена 3, (fp- угол отставани  объекта иссле довани . Если послевключенное звено 3 имеет фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики, показанные на фиг, 2, то дл  любой частоты можно записать: If e-tSO-T Таким образом, установив угол согласно выражению (1) на послевклк ченном звене и измерив частоту (и амплитуду ) сигнала после того как установитс  автоколебательный режим, мы получим информацию об интересующей нас точке фазочастотной характеристики, характеризуемой углом Ifo , Измерение осуществл5пот следующим образом (см, фиг. 3). Единичный сигнал Хо с выхода нелинейного элемента со знаком, противоположным входному сигналу, воздействует на импульсатор 4, в результате чего при каждом перекидывании формируетс  кратковременный импульс Х заставл ющий срабатьшать сигнум-реле 5, которое блокируетс  сигналом заданного уровн  Хэаб« Сигнум-ре е включает интегратор 6 на зар д емкости (возрастание сигнал X-j со скоростьюУл4).При равенстве сигналов Хз и К сигнум-реле возвращаетс  в первоначальное состо ние и переключает интегратор на разр д. При этом сигнал Ч убьшает со С15:оростью Уразр до тех пор, пока не произойдет новое перекидьтание. После этого цикл повтор етс . Каждое переключение сигнум-реле в исходное состо ние вызьюает переключение триггера 7 со счетным входом, сигнал которого подаетс  на делитель 8. Согласно эпюре фиг, 3, фаза, уст&amp;новленна  на устройс гве, СТ/2)-Тг T-1ZT (2) где Т - период колебаний; tr- врем  отставани  входных колебаний от выходных. Представл   уравнение (2) в выраж- ние (1), будем иметь Учитыва , что V .-AiL, 3qp(r|a)-t: V- Ь . раър tr где -iill величина изменени  сигнала на интеграторе, .окончательно получают: Дл  определени  периода колебаний используетс  информаци , полученна  при измерении A|i j согласно уравнению (4) с учетом уравнени  (5) Т--2 , (7) Линейность шкапы установки угла и шкалы измерени  периода достигаетс  применением реверсируемого сигнум-рел интегратора, соотношение скоростей которого устанавливаетс  делителем емкос тей или сопротивлений. Так, дл  интегра тора 4, выполненного на электронной ап ратуре с делителем сопротивлений К/VК ( 8) разр- (9) где К - посто нна  величина, определ е ма  опорным напр жением} С. - емкость интегратора 1)2 «сопротивление интегратора. Подставив выражени  (8) и (9) в уравнени .(6) и (7), получим: ( KfRf ) ICК. V CkW cVCK/R) CiciR.CKMRaC) Отсюда следует, что если сумма . посто нна, то фаза линейно зависит от величины установленного сопротивлени  R, а период линейно зависит от изм р емой величины fikli при посто нной величине тг , котора  в данном приборе служит дл  изменени  пределов : шкалы,, Интегратор работает следующим обра зом. До прихода импульсного сигнала Х/( на операционньхй усилитель 9, работак ший в релейном режиме, рапе РП находи с  в исходном состо нии (условно прин тое за отключенное) за счет смещени  и г .Под действием импульсного сигн ла реле срабатьшает и блокируетс  контактами РП-1. Операционный усилитель 11, работающий в режиме интегратора, посредством контактов РП-3 включаетс  на зар д емкости 6, Сигнал X з возрастает , до тех пор, пока не станет равным , после чего реле РП возвращаетс  в исходное состо ние. Контакты РП-3, РП-2, РП-1 размыкаютс , а контакт РП-4 включает ингг&amp;гратор на разр д - на инвертированное операционным усилителем Ю опорное на пр жение (Don ) Сигнал Хз убывает пр этом до тех пор, пока следующий сигнал Х не заставит сработать реле РП. Пос ле этого цикл повтор етс . 6236 Качество работы промышленных автоматических систем регулировани  во многом определ етс  методами ILX оптимизации при введении в эксплуатацию. В насто щее врем  доказано, что наиболее совершенными  вл ютс  частотные методы , при которых используютс  в качестве информации амплитудно-фазовые характеристики объекта регулировани . Пусконаладочные организации не могут использовать эти методы из-за отсутстви  простых и легких приборов дл  сн ти  частотных характеристик, большах трудозатрат и времени дл  сн ти и обработки этах характеристик. Предложенное устройство позвол ет повысить точность измерений и сократить количество экспериментов за счет определени  параметров амплитудно-фазовой характеристики в требуемых точках , сократить врем  и трудозатраты за счет исключе1ш  вычерчивани  графиков и И.Х обработки. При этом работа может быть выполнена наладчиками более низкой квалификации. Устройство обеспечивает вполне достаточную точность, оно не дороже серийно выпускаемых регул торов, вес устройства не превышает 7-8 кг, а ремонт вполне может быть выполнен в мастерских контрольно-измерительных, приборов. Формула изобретени  Устройство дл  опредапешш фазочастотной характеристики динамического объекта, содержащее нелинейный элемент, вход которого соединен с выходом динамического объекта, отличаюше с   тем, что, с целью увеличени  быстродействи  устройства, оно содержит интеграттор и последовательно соединенные имгпульсатор , сигнум-реле, триггер и делитель , выход которого подключен ко в.ходу динамического объекта, причем вход и выход интегратора соединены с соотвeтcтвyющ ш выходом и входом сигнумреле . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Балакирев В. С, и др. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управлени  М , Энерги , 1967, с. 10-11.
2. 2.Авторское свидетшшство СССР 253207, кл. GOS В 13/02, 1968 (прототип)