CC BY
82
УДК 681.5
АНАЛИЗАТОР ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЧХИ-102
А.Г. Волович, Г.И. Волович, В.П. Щербаков
FREQUENCY-RESPONSE ANALYZER АЧХИ-102
A.G. Volovich, G.l. Volovich, V.P. Tshcherbakov
Описан отечественный анализатор частотных характеристик АЧХИ-102, позволяющий экспериментально определять амплитудно-фазовые частотные характеристики технических объектов, в том числе автоматизированных электро- и гидроприводов и других систем автоматического управления и их элементов, а также двухполюсников. Управление измерительно-вычислительным блоком, прием данных, вывод результатов на принтер и монитор с возможностью сохранения результатов измерений осуществляется в специализированном программном обеспечении, разработанном специально для указанного анализатора.
Ключевые слова: анализатор частотных характеристик, система управления, программное обеспечение.
The Russian frequency-response analyzer АЧХИ-102 experimentally identifying amplitude phase frequency characteristics of technical objects including automatic electrical and hydraulic drives as well as other automatic control systems and their elements and two-terminal elements is described in the article. Measuring-computing unit control, data recording, printing the results and readings with the possibility of measuring results saving are done in application software, worked out particularly for the analyzer.
Keywords: frequency-response analyzer, control system, software.
В настоящее время в различных отраслях техники широко применяются анализ и синтез систем с помощью логарифмических амплитуднофазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ), которые позволяют определять основные показатели исследуемых систем и их эффективные режимы функционирования. Получение ЛАФЧХ реальных технических объектов осуществляется путем подключения к исследуемым объектам специализированных устройств регистрации сигналов с последующей обработкой и расчетом частотных характеристик (ЧХ). Совокупность измерительновычислительного блока (ИВБ) и устройства управления вычислениями образует собой анализатор частотных характеристик.
Проектирование и производство анализаторов в настоящий момент активно осуществляется за рубежом. Однако при рассмотрении эксплуатационных характеристик и функциональных возможностей зарубежных анализаторов выявлены недостатки, обусловленные проектированием этих приборов для решения ранее определенного спектра
Волович Александр Георгиевич - зам. директора ООО «Челэнергоприбор»; su@susu.ac.ru Волович Георгий Иосифович - д-р техн. наук, профессор кафедры систем управления, Южно-Уральский государственный университет; su@susu.ac.ru Щербаков Василий Петрович - преподаватель кафедры систем управления, Южно-Уральский государственный университет; vs develop@mail.ru__________________
задач. Приборы такого типа, например, оптимизированы на исследование объектов в существенно ограниченных частотных диапазонах либо имеются значительные ограничения, накладываемые на входные сигналы объекта.
Учитывая недостатки зарубежных приборов и принимая во внимание их достоинства, создан отечественный анализатор частотных характеристик АЧХИ-102, который позволяет экспериментально определять амплитудно-фазовые частотные характеристики технических объектов, в том числе автоматизированных электро- и гидроприводов и других систем автоматического управления и их элементов, а также двухполюсников.
Прибор оснащен генератором тестовых сигналов с маломощным и мощным выходами, двумя измерительными каналами X и Y, системой управления (СУ) и программным обеспечением для персонального компьютера (ПК) с целью интерактивной работы с прибором. В общем виде блок-схема анализатора при снятии ЧХ объекта изображена на рис. 1.
Volovich Alexander Georgievich - vice director, LLC “ChelEnergoPribor”; su@susu.ac.ru
Volovich Georgiy Iosifovich - Doctor of Science (Engineering), professor of Control Systems Department, South Ural State University; su@susu.ac.ru Tshcherbakov Vasiliy Petrovich - lecturer of Control Systems Department, South Ural State University; vs develop@mail.ru________________________________________
Измерительно-вычислительный блок Исследуемый объект
Рис. 1. Блок-схема анализатора АЧХИ-102 при снятии ЧХ в общем виде
Генератор тестовых сигналов построен с применением микроконтроллера и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), благодаря которым на основе табличных значений функции синуса с использованием питающего напряжения разного уровня (основной и мощный выходы генератора) реализуется гармонический сигнал для требуемых значений амплитуды, частоты и смещения фазы:
U (t) = UM sin (cot + уи), (1)
где o - частота генерируемого сигнала; UM , уи - амплитуда и смещение фазы генератора.
Диапазон частот генератора составляет 0,1 мГц - 2 МГц, а максимальные напряжения основного и мощного выхода с учетом постоянного смещения равны соответственно ±10 и ±25 В.
Каналы измерения имеют входной делитель 1:10, две ступени десятикратного усиления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер, позволяющий регистрировать входной сигнал, преобразовывать его и производить расчет ЧХ. Максимальное напряжение на входе канала составляет ±30 В, диапазон измерения модуля равен ±120 дБ, а диапазон измерения разности фаз составляет ±180 град.
Сигналы X(t) и Y(t) регистрируются каналами в виде набора дискретных значений, каждое из которых соответствует текущей фазе генератора. По полученным выборкам применяются дополнительные преобразования с целью повышения точности определения ЧХ путем получения усредненного периода исследуемых сигналов. Далее путем Фурье-анализа [1] рассчитываются синфазные и квадратурные составляющие сигналов:
Re X = IX (t )cos (cot )t =
T
= g Xj-1 cos j j -1)oAt) + Xj cos (j°At) (2)
j =1 2
Im X = | X (t )sin (cot )t =
T
= g Xj-1sin((j -1)oAt) + Xj sin(joAt)At (3) j=1 2
(4)
(5)
Re Y = J Y (t )cos (cot )dt =
T
n Yj_xcos ((j _ l)coAt) + Y , cos (joAt) a = n ~ At,
j=1 2
Im Y = J Y (t )sin (cot )t =
T
= N Yj_isin(O' _1 mAt)+ Yj sin(joAt)At
Я 2 ’
где T - время интегрирования; N - число значений сигналов за время интегрирования; At - шаг интегрирования.
Построение логарифмической амплитуднофазовой частотной характеристики осуществляется по значениям модуля и аргумента для исследуемых частот, которые определяются по следующим выражениям:
(Re Y )2 +(m Y )2
L = 10 lg
(Re X )2 + (Im X )2
(Im Y ) (Im X
y = arctg I---------I _ arctg I
, О, К (6)
У Яе Y ) У Яе X'
Система управления выполняет связующую роль между прибором и оператором персонального компьютера. В измерительно-вычислительном блоке СУ координирует действия генератора и каналов измерения, передает команды и получает результаты их исполнения. Взаимодействие ИВБ с ПК осуществляется путем передачи информации по ШВ-кабелю.
Управление ИВБ, прием данных, вывод результатов на принтер и монитор с возможностью сохранения результатов измерений осуществляется в специализированном программном обеспечении (ПО), разработанном для АЧХИ-102.
ПО позволяет проводить снятие ЧХ в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме оператор может настраивать амплитуду и частоту генератора, после установки которых на осциллограмме появляются два периода сигналов, поступающих на входы каналов измерения. Вертикальная ось графика градуируется в процентах от полной шкалы АЦП, а горизонтальная - в значениях текущей фазы сигнала. Для регулировки уровня
А.Г. Волович, Г.И. Волович, В.П. Щербаков
сигналов во фрейме анализатора имеется возможность выбора коэффициентов передачи каналов, а также настройки постоянного смещения. После установки необходимых параметров задается длительность измерения в секундах, однако измерение завершится только после окончания текущего периода сигнала генератора.
В автоматическом режиме указывается верхняя и нижняя частоты диапазона, количество экспериментальных точек, время измерения, амплитуда и частота генератора. При снятии ЧХ коэффициенты передачи, постоянные смещения и амплитуда генератора корректируется оптимальным образом с целью минимизации ошибок, возникающих при регистрации входных сигналов каналов измерения.
По окончании каждого измерения выводятся результаты в таблицу и точки на графопостроитель в логарифмическом масштабе, причем экспериментальные точки графиков амплитудной и фазовой ЧХ соединяются плавными кривыми.
Анализатор частотных характеристик АЧХИ-102 благодаря наличию двух измерительных каналов позволяет снимать ЧХ отдельных объектов в замкнутой системе автоматического управления. Например, исследование электрической цепи происходит по схеме, изображенной на рис. 2.
Снятие и построение ЛАФЧХ осуществляется путем использования функций ручного режима (рис. 3) и автоматического режима (рис. 4).
Сравнение полученных результатов с теоретическими осуществляется при помощи расчета ЛАФЧХ КС-цепи в программе МаШСАБ с последующим выводом теоретических и экспериментальных частотных характеристик на график (рис. 5).
Из сравнения теоретических и экспериментальных ЛАФЧХ следует, что наибольшая абсолютная погрешность полученных амплитудных и фазовых ЧХ прибором не превышает 0,1 дБ и
0,5 град соответственно при измерениях в диапазоне ±80 дБ.
І?=10к0м С=0,1 мкФ
і / • < 1— I \ ,,
г- 1 1 1 1 1 1 |_ 1 1 1 1 1 і ^ !—*-< і і і і і J і і і і і і ■ Г 1
Выход ! }'(/) ! Х(1)
Рис. 2. Схема исследования технического объекта
Рис. 3. Диалоговое окно ручного режима
Благодаря применению специальных модулей корректирования коэффициентов передачи измерительных каналов регистрация входных сигналов осуществляется качественно, значительно сокращая помехи при дискретизации низковольтных сигналов и увеличивая тем самым динамический диапазон. Наличие генератора, двух измерительных каналов, простого и удобного программного обеспечения с автоматическим режимом и обеспечение широкого диапазона измерений частотных характеристик позволяют
использовать прибор АЧХИ-102 для исследования различных электротехнических объектов, электрических элементов и прочих систем автоматического управления.
Литература
1. Вавилов, А.А. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем / А.А. Вавилов, А.И. Солодовников. -М.: Госэнергоиздат, 1963. - 252 с.
Поступила в редакцию 4 июня 2012 г.
