Содержание к диссертации
Введение
I. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ СИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 20
1.1. Определение понятия синхронного измерительного преобразователя (СИП) 20
1.2. Обзор развития теории и техники синхронного преобразования электрических сигналов 26
I.2.I; Краткий исторический очерк 26
1.2.2. Современные синхронные измерительные преобразователи, их построение и параметры 29
1.2.3. Краткий анализ промышленно выпускаемых
СИП . 44
1.3. Применение системы фазовой автоподстройки (ФАЛ) в опорном формирователе координатных сигналов 48
1.3.1. Цели использования системы ФАП 48
1.3.2. Общая характеристика и основные параметры системы ФАП 50
1.3.3. Ретроспективный обзор развития теории и техники фазовой автоподстройки 53
1.4; Основные результаты, выводы и постановка задач исследования 57
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ-ФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИНХРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ 62
2.1. Общая характеристика моделирование фазовых процессов в синхронных измерительных преобразователях (СИП) 62
2.1.1. Цели моделирования фазовых процессов 62
2.1.2. Основные понятия и направления моделирования технических объектов 62
2.2. Математическое моделирование фазовых процессов в сип 64
2.2.1. Схема СИП для анализа фазовых процессов 64 2.2.2; Математическая модель синхронного детектора
2.2.3. Схема опорного формирователя (ОФ) 67
2.2.4. Математическая модель фазового детектора (ФД) 68
2.2.5.* Математическая модель управляемого генератора (УГ) 72
2.2.6. Передаточные функции фильтров нижнихчастот (ФНЧ) . 72
2.2.7. Математическая модель 75
2.2.8. Математическая модель СИП 81
2.2.9. дифференциальные управнения процессов в системе ФАП . 81
2.2.10.Линейная модель системы ФАП 85
2.3. Машинная модель фазовых процессов в СИП 91
2.3.1. Обоснование выбора аналоговой вычислительной техники для машинного моделирования 91
2.3.2. Характеристика использованной вычислительной техники .... 92
2,3,3, Машинная модель ОФ. 94
2.4. Итоги и выводы
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ОПОРНОГО ФОРМЙРОВАТЕЗШ
КООРДИНАТНЫХ СИГНАЛОВ 105
3.1. Характеристика проблемы 105
3.2. Исследование действия широкополосного шума 106
3.2.1. Анализ при помощи линейной модели . 106
3.2.2. Исследования на основе нелинейной модели .
3.2.3. Результаты машинного анализа
3.3. Исследование действия гармонических помех
3.3.1. Анализ дифференциального уравнения, описывающего действия помех 126
3,3,2, Анализ полного дифференциального уравнения
системы ФАП . 129
3.3.3 Анализ при помощи машинного моделирования, 130
3.4, Анализ результатов и выводы . 138
4. ДИНАМИКА ФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ 141
4.1. Характеристика проблемы 141
4.2. Переходные процессы в линейной модели ОФ 143
4.2.1 Математическое описание переходных процессов 143
4.2.2. Определение полюсов передаточных функций . 145
4.2.3, Анализ корневого годографа ЛЛ.ЛЇ.ЛЛ 150
4.2;4. Определение влияния конечного значения параметра 157
4.2.5, Анализ длительных переходных процессов 157
4,3, Анализ переходных процессов при помощи нелинейной
машинной модели 165
4.3,1, Характеристика процесса затягивания по фазе 165
4.3.2; Результаты определения полосы затягивания 166
4.3.3, Исследование переходных процессов в нелинейной модели ОФ 167
4.4; Анализ результатов проведенной работы 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 184
- Определение понятия синхронного измерительного преобразователя (СИП)
- Общая характеристика моделирование фазовых процессов в синхронных измерительных преобразователях (СИП)
- Исследование действия широкополосного шума
- Переходные процессы в линейной модели ОФ
Введение к работе
Уровень электронной измерительной техники определяет в существенной мере темпы развития целого ряда областей техники и направлений естественных и прикладных наук, причем, в связи с комплексной автоматизацией производственных процессов и экспериментальных исследований, значимость измерительной техники возрастает. Вместе с тем, такие обстоятельства, как использование в промышленных условиях, необходимость измерения все более слабых сигналов, работа без непосредственного надзора человека и машинный сбор данных, предъявляют повышенные требования к отдельным показателям измерительных приборов, В первую очередь относится сюда помехоустойчивость, поскольку помехи, в частности; промышленные наводки, а также шумовой фон, могут в тысячи раз превышать полезный сигнал. Кроме того, приборы должны быть способны к автоматической настройке и иметь1 максимально достижимое быстродействие.
Вышеизложенным требованиям соответствуют синхронные измерительные преобразователи (СИП) - измерительные приборы, использующие принцип синхронного (фазочувствительного) детектирования. Например, синхронные усилители фирмы eg&g (США/Великобритания) позволяющие при применении предусилителей и входных трансформа-то торов измерять напряжения пиковольтного (1(ПХ В) и токов фемто- амперного (Ю~15 А) диапазонов на частотах с долей герца до ста- двухсот килогерцу имеют кроме того и рекордную помехоустойчивость.
Синхронный усилитель модель I86A этой фирмы, например, позволяет провести измерения при помехах превышающих полезный измеряемый сигнал до 300000 раз.
Кроме того; двухканальные (вектормерные) СИП позволяют, наряду с измерением уровня (эффективного значения) сигнала, определить и значения его синфазной и квадратурной составляющих относительно опорного сигнала, или же определить модуль, фазу и частоту сигнала^ заглушённого помехами. То есть, СИП позволяет полностью идентифицировать гармонический сигнал на фоне помех.
Ввиду превосходных метрологических и эксплуатационных свойств, СИП нашли устойчивое применение в аппаратуре научных экспериментов весьма разных областей физики, химии, геологии, астрономии и технических наук, например, в автоматике, электротехнике и радиоэлектронике1, металловедении, механике (вибрационные измерения), лазерной и полупроводниковой технике и т.д. Отмечается интерес к применению СИП также со стороны физиологов, биологов и медиков. Имеются сведения о применении СИП непосредственно в производстве, например, в текстильной, бумажной и неф-те-химической промышленностях, в металлургии и при производстве электроакустических установок.
В то же время, после снятия с производства морально устаревших фазочувствительных вольтметров В5-3 и В5-4 во второй половине 70-х годов, в СССР крупносерийно выпускается только селективный усилитель с синхронным детектором У2-8, свойства которого не соответствуют требованиям сегодняшнего дня. Современный одноканальний синхронный усилитель УПИ-І выпускается лишь экспериментально. Среди других стран СЭВ производителем СИП является только ПНР, объем и номенклатура производства которого ограничены. Поэтому СССР импортирует СИП из капиталистических стран, что связано с существенными затратами валюты (стоимость одного прибора составляет 5000 ... 15000 долларов). В связи с этим, между
МИСС СССР и Минвузом ЭССР заключен договор о разработке в XI пятилетке в Таллинском пблитехническом институте и Таллинском производственном объединении радиоэлектронной техники конкурентоспособного на мировом рынке отечественного СИП - векторного вольтметра с частотным диапазоном от 10 Іц до I Жц. Соответственные работы включены в раздел лицензионной тематики плана социального и экономического развития СССР на П пятилетку.
Анализ промышленно выпускаемых СИП показывает, что все они имеют существенный недостаток - они не защищены от искажений опорного сигнала и от помех, сопровождающих опорный сигнал. Это не только снижает их номинальную фазовую точность (погрешность 0,2 ... 0,5 у лучших приборов), но и ограничивает область применения СИП. Настоящая диссертационная работа и связана с решением этой проблемы. При этом необходимо подчеркнуть, что поскольку улучшение помехоустойчивости достижимо за счет ухудшения динамических свойств (быстродействия), обе эти противоречивые стороны поведения СИП следует анализировать совместно.
Работа посвящается исследованию помехоустойчивости и динамики фазовых процессов (фазовых соотношений в виде временных функций) в СИП, а в частности, во входящем в состав СИП опорном формирователе (ОФ). ОФ необходим для помехоустойчивого и фазоста-бильного; относительно опорного сигнала, формирования координатных сигналов для управления синхронным детектором (СД). Конкурентоспособность планируется достичь путем обеспечения фазовой погрешности не более + 0,1 при помехах, достигающих уровня опорного сигнала. Улучшение показателей планируется получить при помощи применения системы фазовой автоподстройки (ФМ) в качестве ОФ.
Оказывается, что хотя система ФАЛ известна уже более 50 лет и она нашла весьма многостороннее применение при ее использовании в качестве ОФ в опорном канале СИП возникает, в основном, в связи с необходимостью обеспечить высокую фазовую точность, ряд проблем, как системотехнического, так и схемотехнического характера, Центральной проблемой является то , что известные и широко используемые математические модели не позволяют достаточно точно исследовать фазовые процессы в системе ФАІІ
Составление более точных и адекватных математических моделей для исследования фазовых процессов в СИП и их анализ с применением аналоговых и цифровых ЭВМ с целью нахождения близких к оптимальным, относительно помехоустойчивости и быстродействия, значений параметров системы ФАЛ, составляет основное содержание настоящей работы со системотехнической стороны. Основной работой схемотехнического характера является создание высокостабильного ФД для системы ФМІ, нечувствительного к высшим гармоникам опорного сигнала.
В первой^главе диссертации уточняется понятие синхронного измерительного преобразователя (СИП), дается его обобщенная структура и выясняется роль фазовых соотношений при обеспечении высокоточной работы СИП. Приводится аналитический обзор развития теории и техники синхронного преобразования электрических сигналов, причем более глубоко исследованы современные промышленно выпускаемые СИП. Делается их критический анализ и выясняется перспективность применения системы ФАЛ в качестве ОФ в опорном канале СИП. Определяются возникающие при этом вопросы и ставятся конкретные задачи исследования, первостепенной среди которых является составление более адекватных математических моделей протекающих в СИП фазовых процессов.
Вторая_глава посвящается вопросам моделирования фазовых процессов. Основное внимание направлено на математическое и машинное моделирование процессов в ОФ, в качестве которого работает система ФАЛ. Машинное моделирование проводится при помощи аналоговой вычислительной техники (АЕГ), причем существенное внимание направлено на моделирование действия помех и определение степени адекватности различных моделей. Выясняется, что общепринятые модели системы ФАЛ недостаточно адекватно описывают фазовые процессы.
В третьей главе исследуется действие широкополосных и сосредоточенных помех на фазовые процессы. Аналитически исследуется действие широкополосных шумов при помощи линейной модели системы ФАН, причем находятся выражения для определения оптимальных значений параметров системы, обеспечивающие наибольшее подавление шумов. Исследования на основе адекватной нелинейной модели проводятся при помощи имитационного моделирования на АШ. Приводятся также приближенные решения нелинейных дифференциальных уравнений, характеризующих действия помех. Выясняется, что, как помехи с нулевым средним значением, так и высокочастотная компонента преобразованного в ФД полезного опорного сигнала, способны вызывать постоянную фазовую погрешность даже при абсолютном равновесии системы в исходном состоянии. Утверждается также,что по подавлению сосредоточенных помех система ФАЛ третьего порядка решительно превышает общепринятую систему второго порядка.
В четвертой главе анализируется динамика системы ФАЛ. Аналитически определяются оптимальные значения параметров линейной модели системы, обеспечивающие наискорейшее затухание переходных процессов. С применением ЦВМ проводится сравнение полученных результатов с предложениями других авторов.
При помощи АВМ исследуются динамические процессы в нелинейной модели системы. Существенным результатом исследования является получения доказательства того факта, что переходные процессы затухают в системе третьего порядка быстрее^ чем в системе второго порядка, если только значения параметров системы выбраны правильно.
В приложениях, приводятся технические данные векторвольтмет-ра ТВ5-79, разработанного при участии автора диссертации и схемы ответственных узлов ОФ. Рассматриваются некоторые специфические вопросы машинного моделирования и приводятся результаты моделирования и расчетов. Представляется также список публикаций автора по теме диссертации и документы о внедрении;
Результаты работы нашли применение в векторвольтметре ТВ5--79, разработанного по заказу Таллинского производственного объединения радиоэлектронной техники и в телеспектрометре ФАЗА, кото-s рый разработан по заказу Института астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР, Устройство ФАЗА предназначено для проведения оптических измерений в наземных и космических лабораториях!
По теме диссертации опубликованы 32 печатные работы, в том числе 5 а.с; СССР и 8 патентных публикаций зарубежных стран? Работа ознакомлена на 6 республиканских, региональных и всесоюзных семинарах и конференциях; Векторвольтметр ТВ5-79 демонстрировался на выставке НТТ№-80 (золотая медаль) в Москве (ВДНХ), на выставке Патентинформ - 81 в Будапеште, на Национальных выставках СССР в Мексике (1981 тї) и Дюссельдорфе (1982 г;), на Юбилейной выставке "СССР-60 лет" в Москве (ВДНХ) 1982 г; (бронзовая медаль) и на Международной ярмарке Токио-83. теоретические и практические аспекты уточнения математических моделей фазовых процессов в системе ФАЛ, направленные на улучшение адекватности исследования погрешностей фазировки координатных сигналов в вектормерных СИП, и основы составления машинных моделей для имитационного моделирования процессов в системе ФАЛ высокого порядка; метод определения оптимальных значений параметров линейной «одели системы ФАЛ для обеспечения наискорейшего затухания пере-
19 годных процессов погрешности фазировки координатных сигналов в ; ЗИП и аналитические выражения для расчета оптимальных, относительно подавления широкополосных шумов, параметров линеаризованной системы ФАЛ третьего порядка; - результаты исследования гармонических помех, позволяющих раскрыть физическую сущность действия аддитивных сосредоточенных помех на фазовую погрешность системы ФАЛ и приближенные выражения для определения вызванных гармоническими помехами и широкополосными шумами погрешностей СИП и нелинейной системы ФАЩ;
class1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ СИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Определение понятия синхронного измерительного преобразователя (СИП)
Определяем! что синхронный измерительный преобразователь (СИП) - это самостоятельное средство измерения или же его функционально законченная единица (узел, блок); предназначенный для преобразования входного сигнала синхронно с опорным сигналом в внходной(-не) сигнал(-н) с целью измерения параметров исследуемого сигнала, содержащегося в составе входного сигнала. СИП содержит преобразующее устройство - синхронный детектор (СД), устройство для формирования преобразующего действия - опорный формирователь (0Ф) и избирательное устройство (ИУ) для выделения выходного(-ых) сигнала(-ов). Дополнительно к вышеперечисленным обязательным устройствам СИП может содержать согласующие устройства; усилители,- фильтры и другие вспомогательные устройства в цепях входного и опорного сигналов.
Синхронный детектор - устройство, в котором входная или измеряемая величина умножается на независимую от нее периодическую величину, называемую вектором коммутации; определен в монографии /I/. При этом специально подчеркнуто, что синхронность детектирования заключается именно в том; что преобразующее действие (вектор коммутации) изменяется синхронно с опорным сигналом, а не в том, что частоты измеряемого и опорного сигналов совпадают. Принято /I/, что совпадение частот может быть рассмотрено как частный случай, соответствующий режиму фазочувствителъного выпрямления /I - 3/.
При работе в режиме фазочувствителъного выпрямления,полезный выходной сигнал проявляется в виде постоянной составляющей! уровень которой соответствует синфазной относительно вектора коммутации компоненте измеряемого сигнала /I/ Несмотря на то, что фазочувствительное выпрямление является лишь одной из многочисленных возможностей использования СД /I/, оно вызывало самый высокий интерес в сфере практического применения /I; 2/, /4? бД /II; 12/; что отражается и в многочисленных работах более теоретического характера /I; ЗД /6 - 10/. Необходимо заметить» что в большинстве случаев под термином "синхронный (фазо-чувствительный) детектор" понимают именно (и только) фазочувст-вительный выпрямитель /4 - 10/. В дальнейшем в настоящей работе принимается во внимание только измерение синфазной или квадратурной составляющих измеряемого сигнала.
Общая характеристика моделирование фазовых процессов в синхронных измерительных преобразователях (СИП)
Несмотря на то, что существуют основательные монографии как по синхронному детектированию / I /, так и по системам ФАП / 20,94 /, оказывается, что фазовые процессы в СД еще не нашли достаточное рассмотрение в литературе / 1,2,16,57 /. В литературе по системам ФАП / 20,90,94 / фазовым процессам уделено первостепенное внимание, но для них даны слишком упрощенные математические модели, которые не позволяют получить достаточно точных для измерительной техники результатов (см. nV 1.4). Поэтому были составлены более адекватные математические модели для исследования фазовых процессов в СИП и его состнвнях блоках (nV I.4)V Но в связи с применением более точных математических моделей неизбежно возникает проблема сложности, которая и заставляет нас обратиться к машинному моделированию / 9,10,20,91,96,108,110,122 - 124,155,160 / при помощи ЭВМ 2.1.2. Основные понятия и направления моделирования технических объектов! В соответствии с принятой терминологией / 165/, моделированием называется исследование моделируемого объекта, базирующееся на его подобии с моделью и включающее построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объекте
Для анализа и синтеза технических средств требуется как можно более простое, но адекватное для данной конкретной задачи, математическое описание рассматриваемого объекта, сигналов на его входах и процессов преобразования в нем этих сигналов /166/; Математической моделью считаем представления математического описания в компактной форме; например, в виде дифференциальных уравнений /110/ а также и в виде графических изображений отражающих математические связи и зависимости например, в виде графа.
Исследование действия широкополосного шума
Искажения опорного сигнала (пп. 1.2.3 и 1.3,1) в виде широкополосных шумов, сосредоточенных помех и высших гармоник вызывают погрешность фазировки ФКШ между опорным и координатным сигналами (пп. 2.2.4 и 2.2.7) и являются поэтому источниками погрешностей измерения (2.15 - 2.16). Как показано в п. 1.2.3, незащищенность к искажениям опорного сигнала является основным недостатком современных серийно выпускаемых СИП.
В соответствии с рассуждениями по пп. 2.2.4 и 2.2.7 действие аддитивных широкополосных шумов n(t) может быть исследовано при помощи его низкочастотного эквивалента n (t) (п. 2.2.7) на основе упрощенной модели 0Ф (рис. 2.8), причем необходимо подчеркнуть важность анализа на основе линейной модели 0Ф (рис. 2.10), поскольку допустимые погрешности фазировки ФкСі;) не превышают + 10 (табл. І.І) даже у СИП первого класса (п. 1.2.2).
Широкополосные шумы в линеаризованной системе ФАП нашли свое рассмотрение в многочисленных работах, в том числе в монографиях /20; 90; 94; 107/ и поэтому в общем плане этот вопрос потерял актуальность. Но в данном частном случае - при применении ФНЧ второго порядка с передаточными функциями (2.44 - 2.45), еще неизвестны предельно достижимые фильтрующие свойства системы, отсутствуют данные об оптимальных значениях параметров и не определены степени критичности оптимумов. Решение этих задач аналитическими методами рассмотрено в настоящей главе.
Переходные процессы в линейной модели ОФ
Определение полюсов передаточных фун ий. Для определения переходных процессов (4.12 - 4.13) необходимо найти выражения, связывающие полюса (4.10 - 4.II) передаточной функции (4.8) с параметрами р и h (п. 2.2.10) /177, с. І96-2І9Д характеризующих физические показатели разомкнутой системы. Ввиду того4! что кубичное характеристическое уравнение (4.9) имеет в общем случае сложные решения /214, с. 43-44/, искомые выражения оказываются слишком громоздкими и ненаглядными для практического применения. Поэтому аналитически будем рассматривать только отдельные частные случаи. Для определения роли этих частных случаев; численно, при помощи ЦВМ EC-I022 с применением системы программирования SPADE /2I5/f корни уравнения (4 9) определены и для общего случая. Результаты приведены в виде корневого годографа на рис. 4.1, верхняя часть (рис. 4.1а) которого характеризует комплексный корень s2=-b+jp (4.-I0) и действи 146 тельные корни s5 u s6 (4.11)5 а нижняя часть (рис, 4.16) -- действительный корень ъ{=-о (4.10) или s4=-c (4ЛІ).
