Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам для исследования систем автоматического регулирования (CAP) и предназначено для экспериментального определения частотных характеристик автоматических систем и устройств. Может быть применено при разработке и наладке систем электропитания, содержащих сложные регулируемые источники питания и потребители, представляющие собой CAP, для исследования их динамических свойств в реальных условиях эксплуатации.

Известно устройство для определения вещественной и мнимой частотных характеристик, принцип действия которого основан на измерении мгновенных значений сигнала на выходе исследуемого объекта [1]. Недостатком указанного устройства является невысокая точность определения частотных характеристик вследствие включения неизбежно возникающих при таком способе измерения помех в итоговый результат вычисления.

В практике анализа устойчивости CAP известен способ, в котором исследование системы в целом производится на основе сопоставления входных и выходных характеристик каждого из входящих в систему приборов [2] и выполнения необходимых условий для обеспечения устойчивости связки источник-потребитель.

Также известно устройство для измерения иммитансных частотных характеристик источников питания и потребителей [3], принятое за прототип и содержащее управляемую нагрузку, измерительный шунт, переключатель, причем первый вывод управляемой нагрузки подключен к клемме для подключения потребителя, другая клемма для подключения потребителя соединена с одним выводом шунта и вторым неподвижным контактом переключателя.

К недостаткам указанного устройства можно отнести невысокую точность измерения вследствие субъективного характера действий оператора по компенсации выходного сигнала устройства, субъективная оценка минимума ошибки компенсации, что в совокупности приводит также к снижению быстродействия процесса измерения.

Использование современной компьютерной техники позволяет создать на базе ПЭВМ компактное устройство для измерения частотных характеристик CAP, обладающее высокими эксплуатационными характеристиками и включающее в себя высокопроизводительное средство вычисления, средства задания возмущения и регистрации отклика испытываемого устройства, отображения и хранения результатов, а также управляющее программное обеспечение формирования сигналов и обработки результатов измерений.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого устройства, является повышение точности измерения частотных характеристик CAP, быстродействия процесса измерения и наглядности представления результатов вычисления.

Задача решается тем, что в устройство для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования, содержащее управляемую нагрузку, измерительный шунт, переключатель, причем первый вывод управляемой нагрузки соединен с клеммой для подключения потребителя, другая клемма для подключения потребителя соединена с одним выводом шунта и вторым неподвижным контактом переключателя, дополнительно введено командно-вычислительное устройство на базе ПЭВМ, содержащее генератор прямоугольного напряжения, первый и второй усилители с управляемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, модуль дискретного управления и таймер, при этом генератор прямоугольного напряжения подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и к управляющему входу модуля дискретного управления, а через таймер - к управляющему входу управляемой нагрузки, второй вывод которой соединен с подвижным контактом переключателя, первый неподвижный контакт которого подключен к другому выводу шунта и клемме для подключения источника, другая клемма для подключения источника соединена через резистор с первым выводом управляемой нагрузки, измерительные выводы шунта подключены к первому и второму входам первого усилителя с управляемым коэффициентом усиления, первый и второй входы второго усилителя с управляемым коэффициентом усиления соединены с соответствующими клеммами для подключения к выводам источника или к выводам потребителя для измерения их напряжения, третьи входы указанных усилителей с управляемым коэффициентом усиления соединены с соответствующими выходами модуля дискретного управления, а их выходы соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом устройства.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого устройства для определения частотных характеристик систем автоматического регулирования.

Устройство содержит управляемую нагрузку 1, измерительный шунт 2, переключатель 3, генератор прямоугольного напряжения 4, первый 5 и второй 6 усилители с управляемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь 7, модуль дискретного управления 8, таймер 9, резистор 10, клеммы 11, 12 для подключения источника 13, клеммы 14, 15 для подключения потребителя 16 и клеммы 17, 18 для подключения к первому и второму входам второго усилителя с управляемым коэффициентом усиления 6.

Устройство работает следующим образом.

Управляемая нагрузка 1 - устройство, обеспечивающее формирование тока нагрузки исследуемого источника 13 и входного тока потребителя 16 в соответствии с управляющими сигналами, формируемыми генератором прямоугольного напряжения 4 и таймером 9. С помощью переключателя 3 второй вывод управляемой нагрузки 1 подключается к выходу источника 13 или ко входу потребителя 16, что позволяет измерять с помощью шунта 2 выходной ток источника 13 или входной ток потребителя 16. Шунт 2 на своих измерительных выводах формирует сигналы напряжения, пропорциональные текущему значению соответствующего тока. Эти сигналы поступают на первый усилитель с управляемым коэффициентом усиления 5, выходной сигнал которого поступает на один вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 7. Одновременно на другой вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 7 поступают сигналы с выхода второго усилителя с управляемым коэффициентом усиления 6, который предназначен для измерения напряжения источника питания 13 или напряжения потребителя 16. Модуль дискретного управления 8 служит для формирования сигналов управления первым 5 и вторым 6 усилителями с управляемым коэффициентом усиления. Таймер 9 необходим для высокоточного отсчета времени в процессе измерения токов и напряжений. Назначение резистора 10 заключается в увеличении выходного сопротивления источника 13, что необходимо в процессе измерения входного импеданса потребителя 16.

Процесс экспериментального определения входного или выходного сопротивления заключается в формировании с помощью генератора 4 заданного тестирующего сигнала тока управляемой нагрузки и одновременном измерении тока нагрузки и сигнала изменения напряжения на выходе исследуемого источника 13 или входе исследуемого потребителя 16. Результаты измерений обрабатываются математическими методами с помощью ПЭВМ под управлением соответствующей программы, в результате чего вычисляется комплексное сопротивление в форме функций зависимости амплитудной и фазовой характеристик от частоты А(ω) и Р(ω) для выходного импеданса источника или входного импеданса потребителя.

В качестве основного тестирующего сигнала выбран периодический сигнал прямоугольной формы постоянной амплитуды и заданной в каждом измерении частоты, который формируется программно с помощью генератора 4 и таймера 9. Применение сигнала прямоугольной формы имеет преимущество перед гармоническими сигналами, используемыми в прототипе, и заключается в их простой технической реализации, что особенно существенно для систем большой мощности. Для повышения точности измерения, компенсации амплитудных и фазовых частотных погрешностей, вносимых управляемой нагрузкой 1, производится измерение мгновенных значений тестирующего тока, формируемого управляемой нагрузкой 1, и напряжения на выходе исследуемого источника 13 или входе потребителя 16 с заданной частотой выборки с накоплением полученных измеренных значений в буферной памяти ПЭВМ. После приема данных в течение заданного числа отсчетов в периоде и числа периодов тестирующего сигнала производится Фурье-анализ сигналов тока и напряжения с вычислением первых трех гармоник в их спектре. Вторая и третья гармоники используются для оценки точности полученных данных. Величина амплитудной составляющей выходного (входного) комплексного сопротивления А(ω) исследуемого прибора определяется как отношение амплитуд первых гармоник сигналов напряжения и тока, а фазовая характеристика Р(ω) - как разность фаз этих гармоник. Полученные значения амплитуд сигналов используются также для установки коэффициентов усиления усилителей с управляемым коэффициентом усиления 5, 6 при задании следующего тестирующего сигнала. При этом усиление указанных усилителей 5, 6 устанавливается так, чтобы, с одной стороны, не происходило превышение диапазона напряжений, измеряемых аналого-цифровым преобразователем 7 и, с другой стороны, обеспечивалась необходимая точность преобразования.

Частоты тестирующего сигнала изменяются по закону геометрической прогрессии, что обеспечивает равномерное расположение точек измерения частотной характеристики в логарифмическом масштабе.

Практическое использование описанного устройства и экспериментальное измерение импедансов приборов в реальных условиях эксплуатации позволяет проводить исследование и согласование частотных характеристик преобразователей и подсистем, входящих в сложные энергетические комплексы, например такие, как системы электроснабжения автономных объектов. Это позволяет повысить эффективность исследований и качество разработки устройств автоматического регулирования и систем на их основе.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ ЗАО НПК(О) "Энергия" изготовлены образцы предлагаемого устройства, которые применяются в проектировании и испытаниях приборов СЭС Российского Сегмента Международной Космической Станции. Испытания подтвердили их работоспособность и высокие технические характеристики.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Вавилов А.А. Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М.-Л., Госэнергоиздат, 1963, с. 107.

2. R.D. Middlebrook, "Design Techniques for Preventing Input Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators" Proceedings of the Fifth National Solid-State Power Conversion Conference, Powercon 5, p.p. A3-1 through A3-16, May 1978.

3. A.c. СССР 332442, кл. G 05 B 23/02, опубл. 14.03.1972, БИ 10.