УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ

Заявляемая полезная модель относится к области испытания и контроля систем управления, в частности к устройствам для контроля амплитудно-частотных (АЧХ) характеристик следящих систем.
Известно устройство для определения частотных характеристик линейных систем регулирования, содержащее исследуемую систему, задающий блок, блок сравнения, умножители, генератор колебаний, интеграторы, регистрирующий блок, сумматоры, генератор экспоненциальных функций, масштабные ячейки (см. описание к авторскому свидетельству СССР № 648951 по заявке №2411543 от 12.10.1976 г. на изобретение «Устройство для определения частотных характеристик линейных систем регулирования», МКИ: G05B 23/02),
Недостатком данного устройства является сложность его реализации и высокая чувствительность к помехам.
Известен также идентификатор частотных характеристик (см. описание к патенту РФ №2321043 по заявке №2006126799/09 от 25.07.2006 г., МПК: G05B 23/02), предназначенный для экспериментального исследования динамических (частотных) характеристик систем автоматического управления. Это устройство содержит генератор импульсов, блок формирования воздействия, блок коммутации данных, блок коммутации адреса, оперативное запоминающее устройство данных, блок микропроцессорного вычислителя, блок преобразования кода и усиления, печатающее устройство.
Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет осуществлять автоматический контроль частотных характеристик следящих систем.
Наиболее близким к заявляемому устройству из известных является, выбранное в качестве прототипа устройство для контроля частотных характеристик линейных систем управления (см. описание к авторскому свидетельству СССР №911475 по заявке на изобретение №2885360/18-24 от 21.02.1980 г., МКИ: G05B 23/02), содержащее генератор синусоидального сигнала, частотный модулятор, формирователь пилообразного напряжения, стабилизатор напряжения, контролируемую систему управления, переключатель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), арифметический блок, первый и второй блока памяти, блок определения экстремума, блок регистрации, модель, ключ, блок сравнения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и программный блок, выполняющий функцию блока управления.
Устройство осуществляет контроль реакции контролируемой системы управления и модели на один и тот же частотно-модулированный входной сигнал. Если разность между значением амплитуды на выходе контролируемой системы и значением амплитуды на выходе модели находится в пределах заданных установок, то контролируемая система считается исправной.
Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет с высокой степенью достоверности оценить параметры АЧХ контролируемой системы из-за дрейфа параметров модели в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов таких как: изменение температуры окружающей среды в широком диапазоне, механические воздействия (вибрация, удары), акустические шумы, изменение напряжения источников питания, наличие электромагнитного излучения, изменение атмосферного давления и влажности воздуха и т.д.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель и техническим результатом, достигаемым при её использовании является повышение достоверности контроля параметров АЧХ следящих систем за счет исключения влияния на процесс контроля внешних дестабилизирующих факторов и использования априорной информации о требуемых параметрах АЧХ в цифровом виде, а также автоматизация самого процесса контроля за счет исключения из процесса оператора.
Кроме того, заявляемая модель расширяет арсенал известных технических средств аналогичного назначения.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство для контроля АЧХ следящих систем, содержащее генератор синусоидальных колебаний, блок управления, первый и второй блоки памяти, блок регистрации результата контроля, переключатель и аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединён с выходом переключателя, первый вход которого соединен с первым выходом блока управления, а второй вход переключателя соединен с выходом контролируемой системы, при этом блок управления также соединен со входами первого и второго блоков памяти, а выход второго блока памяти соединен с первым входом блока управления, дополнительно введены: третий блок памяти, последовательно соединенные блок выделения амплитуды и блок формирования сигнала «Отказ», второй вход которого соединен с выходом третьего блока памяти, а выход блока формирования сигнала «Отказ» соединен с первым входом блока регистрации результата контроля, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления, причем вход третьего блока памяти соединен с третьим выходом блока управления, при этом выход первого блока памяти соединен со входом генератора синусоидальных колебаний, выход которого соединен со входом контролируемой системы, при этом первый вход блока выделения амплитуды соединен с выходом АЦП, а второй вход объединен с первым входом переключателя, блок управления имеет второй вход, являющийся входом устройства для контроля АЧХ, выходом которого является выход блока регистрации результата контроля.
Кроме того, за счет того, что в устройстве для контроля АЧХ следящих систем блок выделения амплитуды содержит первый и второй регистры, первый и второй блоки сравнения, первый и второй элементы ИЛИ, первый и второй элементы И, сумматор, инвертор и генератор импульсов, при этом первые входы первого и второго регистров, первого второго блоков сравнения объединены между собой и являются первым входом блока выделения амплитуды, выходом которого является выход сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого регистра и вторым входом блока сравнения, а второй вход сумматора соединен с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом второго регистра и вторым входом второго
блока сравнения, при этом выходы первого и второго блоков сравнения соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены между собой и являются вторым входом блока выделения амплитуды, выходы первого и второго элементов ИЛИ соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых объединены между собой и соединены с выходом генератора импульсов, а выходы первого и второго элементов И соединены со вторыми входами соответственно первого и второго регистров.
Кроме того, за счет того, что в устройстве для контроля АЧХ следящих систем блок формирования сигнала “Отказ” содержит первый и второй блоки сравнения и элемент ИЛИ, при этом первые входы блоков сравнения объединены между собой и являются первым входом блока формирования сигнала «Отказ», вторым входом которого являются объединенные между собой вторые входы первого и второго блоков сравнения, выходы которых соединены со входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока формирования сигнала «Отказ».
Кроме того, за счет того, что в устройстве для контроля АЧХ следящих систем блок управления содержит генератор импульсов, первый и второй счётчики импульсов, первый и второй блоки сравнения и формирователь импульсов, при этом первые входы первого и второго блоков сравнения объединены между собой и являются входом блока управления, вторые входы первого и второго блоков сравнения объединены между собой и соединены выходом первого счетчика импульсов, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, при этом выход первого блока сравнения является первым выходом блока управления, а выход второго блока сравнения соединен со входом формирователя импульсов, соединенного со входом второго счетчика импульсов, выход которого, является вторым выходом блока управления, третьим выходом которого является выход формирователя импульсов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где
- на фиг. 1. представлена функциональная электрическая схема устройства для контроля АЧХ следящих систем;
- на фиг. 2 представлена функциональная электрическая схема блока выделения амплитуды 9;
- на фиг. 3 представлена функциональная электрическая схема блока формирования сигнала «Отказ» 10;
- на фиг. 4 представлена функциональная электрическая схема блока управления 2;
- на фиг. 5 показана типовая АЧХ контролируемой системы и характерные точки этой характеристики;
- на фиг. 6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства для контроля АЧХ следящих систем, где:
а) - изменение величины напряжения на выходе генератора 1;
б) - изменение величины напряжения на первом выходе блока 2;
в) - изменение величины напряжение на втором выходе блока 2;
г) - изменение величины напряжения на выходе блока 7.
Устройство для контроля АЧХ следящих систем (см. фиг. 1) содержит генератор синусоидальных колебаний 1, блок управления 2, первый 3 и второй 4 и третий 5 блоки памяти, блок регистрации результата контроля 6, переключатель 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, последовательно соединенный с блоком выделения амплитуды 9 и блоком формирования сигнала «Отказ» 10, второй вход которого соединен с выходом третьего блока памяти 5, а выход блока формирования сигнала «Отказ» 10 соединен с первым входом блока регистрации результата контроля 6, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления 2. Вход АЦП 8 соединён с выходом переключателя 7, первый вход которого соединен с первым выходом блока управления 2 и вторым входом блока выделения амплитуды 9. Второй вход переключателя 7 соединен с выходом контролируемой системы. Входы первого 3, второго 4 и третьего 5 блоков памяти объединены между собой и соединены с третьим выходом блока управления 2. Выход второго блока памяти 4 соединен с первым входом блока управления 2. Выход первого блока памяти 3 соединен со входом генератора синусоидальных колебаний 1, выход которого соединен со входом контролируемой системы. Блок управления 2 имеет второй вход, являющийся входом устройства для контроля АЧХ, а выходом устройства для контроля АЧХ является выход блока регистрации результата контроля 6.
Блок выделения амплитуды 9 (см. фиг. 2) содержит первый 11 и второй 12 регистры, первый 13 и второй 14 блоки сравнения, первый 15 и второй 16 элементы ИЛИ, первый 17 и второй 18 элементы И, сумматор 19, инвертор 20 и генератор импульсов 21. Первые входы первого 11 и второго 12 регистров, первого 13 и второго 14 блоков сравнения объединены между собой и являются первым входом блока выделения амплитуды 9, выходом которого является выход сумматора 19. Первый вход сумматора 19 соединен с выходом первого регистра 11 и вторым входом первого блока сравнения 13, а второй вход сумматора 19 соединен с выходом инвертора 20, вход которого соединен с выходом второго регистра 12 и вторым входом второго блока сравнения 14. Выходы первого 13 и второго 14 блоков сравнения соединены с первыми входами соответственно первого 15 и второго 16 элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены между собой и являются вторым входом блока выделения амплитуды 9. Выходы первого 15 и второго 16 элементов ИЛИ соединены с первыми входами соответственно первого 17 и второго 18 элементов И, вторые входы которых объединены между собой и соединены с выходом генератора импульсов 21. Выходы первого 17 и второго 18 элементов И соединены соответственно со вторыми входами первого 11 и второго 12 регистров.
Блок формирования сигнала «Отказ» 10 (см. фиг. 3) содержит первый 22, второй 23 блоки сравнения и элемент ИЛИ 24. Первые входы блоков сравнения 22,23 объединены между собой и являются первым входом блока формирования сигнала «Отказ» 10, вторым входом которого являются объединенные между собой вторые входы первого 22 и второго 23 блоков сравнения, выходы которых соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ 24. Выход элемента ИЛИ 24 является выходом блока формирования сигнала «Отказ» 10.
Блок управления 2 (см фиг. 4) содержит генератор импульсов 25, первый 26 и второй 27 счётчики импульсов, первый 28 и второй 29 блоки сравнения и формирователь импульсов 30. Первые входы первого 28 и второго 29 блоков сравнения объединены между собой и являются входом блока управления 2. Вторые входы первого 28 и второго 29 блоков сравнения объединены между собой и соединены с выходом первого счетчика импульсов 26, вход которого соединен с выходом генератора импульсов 25. Выход первого блока сравнения 28 является первым выходом блока управления 2. Выход второго блока сравнения 29 соединен со входом формирователя импульсов 30, своим выходом соединенного со входом второго счетчика импульсов 27, выход которого, является вторым выходом блока управления 2, третьим выходом которого является выход формирователя импульсов 30.
Устройство для контроля АЧХ следящих систем работает следующим образом.
1
2
1
При включении устройства на третьем выходе блока управления 2 устанавливается в цифровом виде начальный адрес, поступающий на входы первого, второго и третьего блоков памяти 3, 4, 5. С выхода второго блока памяти 4 информация о времени T, необходимом для окончания переходного процесса в контролируемой системе, и времени T, необходимом для замера амплитуды выходного сигнала контролируемой системы, поступает на вход блока управления 2. На выходе первого блока памяти 3 формируется значение кода, соответствующее частоте и амплитуде сигнала на выходе генератора синусоидальных колебаний 1. На выходе третьего блока 5 памяти формируется значение кода, соответствующее значениям амплитуды выходного сигнала контролируемой системы. С выхода генератора синусоидальных колебаний 1 сигнал поступает на вход контролируемой системы, в которой через время T, определяемом постоянной времени контролируемой системы, устанавливается режим вынужденных колебаний (см. фиг. 6a). Время T1 определяется априорно из следующего соотношения:
п
где ω - полоса пропускания контролируемой системы (см. фиг. 5).
1
В течение времени T на втором выходе блока управления 2 формируется логический сигнал, по которому переключатель 7 устанавливается в положение, при котором на вход АЦП и на вход блока выделения амплитуды 9 поступает логический ноль (см. фиг. 6г).
1
2
По истечении времени T на втором выходе блока управления 2 логический сигнал изменяется на противоположный, при этом переключатель 7 подключает выход контролируемой системы ко входу АЦП 8 и информация о выходном сигнале параллельным кодом поступает на вход блока выделения амплитуды 9, (см. фиг. 6г), на выходе которого через время T формируется сигнал в виде параллельного кода, пропорциональный амплитуде выходного сигнала контролируемой системы.
2
Время T определяется из следующего соотношения:
г
где f - частота сигнала генератора, поступающего на вход контролируемой системы;
В блоке формирования сигнал «Отказ» 10 выделенный сигнал сравнивается с заранее вычисленным значением и в случае расхождения значений, на выходе блоке формирования сигнал «Отказ» 10 формируется соответствующий логический сигнал, который фиксируется в блоке регистрации результата контроля 6.
2
По истечении времени T в устройстве для контроля АЧХ происходят следующие процессы:
- на первом выходе блока управления 2 формируется кратковременный импульс (см. фиг. 6б), по которому блок регистрации результата контроля 6 фиксирует результат сравнения амплитуды выходного сигнала контролируемой системы с заданными значениями.
- одновременно на втором выходе блока управления 2 происходит смена логического сигнала, при этом переключатель 7 ко входу АЦП 8 сигнал нулевого уровня, который записывается в блоке выделения амплитуды 9.
n+1
- на третьем выходе блока управления 2 адрес увеличивается на единицу, а на выходах первого второго и третьего блоков памяти 3, 4, 5 устанавливается информация необходимая для проведения измерений при воздействии на вход контролируемой системы частоты f. Количество частот и их значения определяются исходя из технических требований к системе по типовой АЧХ (см. фиг. 5), на которой можно выделить следующие характерные точки:
- A - амплитуда на выходе контролируемой системы;
1
0
- ω - частота, соответствующая области низких частот, где A≈A;
2
m
- ω - соответствует области перерегулирования. Величина перерегулирования A определяется колебательными свойствами контролируемой системы;
3
- ω - частота, характеризующая полосу пропускания системы;
n
0
- ω - соответствует области затухания, где A<<A.
Стрелками на фиг. 5 указаны допустимые отклонения АЧХ контролируемой системы от типовой.
Если в процессе контроля блоком регистрации результата контроля 6 будет зафиксировано хотя бы одно несоответствие амплитуды выходного сигнала контролируемой системы заданному значению, то на выходе устройств для контроля АЧХ следящих систем сформируется сигнал «Отказ», что указывает на неисправность системы.
Блок выделения амплитуды 9 (см. фиг. 2) работает в двух режимах:
- режим начальной установки.
- режим выделения максимального и минимального значений входного сигнала.
Режим начальной установки осуществляется при наличии на первом входе блока выделения амплитуды 9 напряжения логической единицы, которое поступает на вторые входы первого и второго элементов ИЛИ 15, 16. При этом независимо от состояния других входов элементов ИЛИ 15, 16 на их выходах присутствует напряжение логической единицы, что обеспечивает поступление импульсов от генератора импульсов 21 через первый и второй элементы И 17, 18 на вторые (записывающие) входы первого и второго регистров 11 и 12.
Таким образом в регистры 11 и 12 одновременно записывается информация, поступающая в данный момент времени на второй вход блока выделения амплитуды 9.
1
2
Режим поиска максимального и минимального значений относительно начальной установки значений входного сигнала осуществляется при наличии на первом входе блока выделения амплитуды 9 напряжения логического нуля, при этом запись информации в первый регистр 11 происходит только в том случае, когда сигнал на входе этого регистра превысит уровень сигнала, записанного в него ранее. Это осуществляется за счет того, что на первый вход блока сравнения 13 поступает текущее значение амплитуды A, а на второй вход блока сравнения 13 поступает ранее записанное значение амплитуды A с выхода регистра 11. На выходе блока 13 при выполнении условия:
1
2
A≤A
формируется напряжение логической единицы, которое поступает на первый вход первого элемента ИЛИ 15, что обеспечивает прохождение импульсов от генератора импульсов 21 через первый элемент И 17 на второй (записывающий) вход регистра 11. Запись информации во второй регистр 12 происходит аналогичным образом при уменьшении сигнала на втором входе второго регистра 12 относительно значения ранее записанного в нем.
На выходе сумматора 19 выделяется значение амплитуды входной величины в параллельном коде:
max
min
α=A+(-A),
max
где A - информация, снимаемая с выхода первого регистра 11;
min
A - информация, снимаемая с выхода инвертора 20.
Функциональная схема блока формирования сигнала “Отказ” 10 приведена на фиг. 3. Команда “Отказ” в виде напряжения логической единицы формируется на выходе элемента ИЛИ 24 при выполнении следующего условия;
max
min
(A>A) или (A<A),
где A - информация на втором входе блока формирования сигнала “Отказ” 10;
max
A - информация на первом входе первого блока сравнения 22;
min
A - информация на втором входе второго блока сравнения 23.
Блок управления 2 (см.фиг. 4) работает следующим образом. При включении блока управления 2 на выходах первого и второго счётчиков 26 и 27 устанавливается нулевая информация и одновременно запускается генератор импульсов 25. Цифровое значения кода на выходе первого счетчика 26 начинает увеличиваться пропорционально времени, прошедшему от момента включения устройства контроля АЧХ, при этом в момент времени, когда цифровое значения кода на выходе счётчика 26, поступающая на второй вход первого блока сравнения 28 и на второй вход второго блока сравнения 29, превысит цифровое значения кода на первом входе первого блока сравнения 28 произойдет смена уровня логического сигнала на первом выходе блока управления 2, а в момент времени, когда цифровое значения кода на выходе счетчика 26 превысит цифровое значения кода на первом входе второго блока сравнения 29 произойдет смена уровня логического сигнала на выходе блока сравнения 29. При этом на входе формирователя импульсов 30 будет сформирован короткий импульс, поступающий на третий выход блока управления 2 и увеличивающий цифровое значение кода на выходе счетчика 27 на единицу.
Технический результат достигается за счет следующего:
- введение третьего блок памяти с соответствующими связями, в котором хранится в цифровом виде априорная информация о требуемой АЧХ системы, обеспечивает исключение влияния воздействия дестабилизирующих факторов на эту информацию, что в свою очередь повышает достоверность контроля.
- введение блока выделения амплитуды и блока формирования сигнала “Отказ” с соответствующими связями, обеспечивающих измерение амплитуды выходного сигнала контролируемой системы и сравнение ее значение с априорной информацией, хранящейся в блоке памяти, позволяет упростить устройство за счет сокращения количества функциональных элементов.
- введение блока управления с соответствующими связями, который определяет последовательность выборки информации из блока памяти и взаимодействие входящих в устройство контроля АЧХ функциональных элементов в автоматическом режиме без участия оператора, позволяет повысить достоверность контроля за счет обеспечения его точности и объективности.
Таким образом, устройство позволяет осуществлять автоматический контроль АЧХ следящих систем без участия оператора с формированием сигнала об исправности системы и более высокой, по сравнению с прототипом, достоверностью при наличии дестабилизирующих факторов. Кроме того, использование устройства позволяет значительно сократить время на контроль системы и уменьшить стоимость рабочего места за счёт уменьшения потребного количества оборудования.
Работоспособность устройства была проверена и подтверждена на математической модели следящей системы в штатных условиях изделия 9В749М.
Предлагаемое устройство для контроля АЧХ следящих систем может быть технически реализовано по известным правилам из стандартных элементах, выпускаемых промышленностью, что позволяет сделать вывод о его промышленной применимости.