leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Categories:

САР натяжения – интересный поворот



Подготовив звуковую карту к измерению параметров механики и электроники, решил начать эти измерения. На первом этапе при разомкнутой петле САР необходимо измерить отклик датчиков на инжектированный синусоидальный сигнал в диапазоне частот от 2 до 100 Гц. Выходом звуковой карты подключился к каскаду управления двигателем через разделительную емкость. Первым делом надо выставить нужную амплитуду, чтобы увидеть колебания натяжителя примерно той же амплитуды, что и при самовозбуждении. Чтобы на время измерений разорвать петлю САР, достаточно в сервисной программе перейти на ручное управление боковыми двигателями и выставить номинальное натяжение ленты, подав на двигатели некоторое постоянное значение. Временно включил Play с замкнутой САР, чтобы подсмотреть, сколько примерно надо выставлять на двигатели. И тут явилось чудо – возбуждения нет!



Когда я отключил цепочку инжекции сигнала, вновь появилось привычное дрожание натяжителя. Выкинул связь со звуковой картой и просто подключил к данной точке такую же RC-цепочку на землю. Возбуждения нет! Прогнал из сервисной программы шагами весь диапазон натяжений – везде устойчиво. При старт/стопе переходная характеристика тоже красивая. Как же так получилось?

Схема подключения внешнего сигнала приведена ниже:



Я решил исследовать влияние этой цепочки в PSpice. Для этого в имеющуюся модель фильтра ШИМ добавил на выход резистор и RC-цепь. Полученные АЧХ и ФЧХ показаны на заглавной картинке поста. Исходная АЧХ – зеленый график, исходная ФЧХ – красный. Новая АЧХ – синий, новая ФЧХ – желтый. Курсор установлен на частоту 14 Гц, на которой ранее наблюдалась паразитная генерация. Видно, что на этой частоте RC-цепочка дала ослабление примерно -12.5 дБ, а сдвиг фазы добавила всего около 10°. Очевидно, что условия генерации на данной частоте стали хуже, что и сделало систему устойчивой.

Если не изменять традициям радиолюбительства, то можно повесить на плату дополнительные RC-цепочки и радоваться жизни. Очень удивляет, как первые попавшиеся из коробки номиналы дали минимальный фазовый сдвиг как раз вблизи частоты генерации. Попробовал в PSpice подобрать цепочку лучше – не получилось.

Но мне все-таки не дает покоя вопрос, почему такая коррекция понадобилась только для нового датчика натяжения? Очевидно, что с ним на частое 14 Гц наблюдается или повышенный коэффициент передачи, или повышенный сдвиг фазы. Наверное, идею с измерением параметров системы я все-таки не брошу. Но придется доделать буферные усилители для инжекции и снятия сигнала, чтобы не вносить в схему никаких реактивностей.

Кажется, я начинаю немного понимать характеристики системы. Когда раньше пробовал инжектировать сигнал от звукового генератора, то заметил, что при приближении к частоте 20 Гц амплитуда колебаний резко снижается и быстро падает до нуля. Это логично, механическая система представляет собой ФНЧ. Этот спад, скорее всего, довольно резкий, как у звеньев высокого порядка. В результате вблизи частоты среза резко растет фазовый сдвиг. Поэтому очень важно вблизи частоты среза или снизить усиление, или скомпенсировать фазовый сдвиг. PID-регулятор делает такую компенсацию с помощью D-звена, введение которого эквивалентно добавлению ноля на АЧХ.

Ниже показана АЧХ и ФЧХ аналогового PID штатной платы. Зеленый график – АЧХ с D-компонентой, красный график – без D. Видно, что введение D поднимает усиление на высоких частотах, максимальный подъем тут ограничен величиной 20 дБ.



Синий график – это ФЧХ без D, желтый – с D. Видно, что введение D очень сильно меняет фазовый сдвиг, делая его положительным (опережение). Причем максимум приходится как раз на частоты вблизи частоты среза (белый курсор – это 14 Гц). Хоть на этой частоте и повышается усиление примерно на 10 дБ, зато сдвиг фаз уменьшается почти на 60°. Немудрено, что аналоговый PID устойчив, как слон.

Вообще, на оригинальной плате Э-004 был только P-регулятор. Он тоже был устойчив, хотя переходной процесс был некрасивым. Для P-регулятора АЧХ будет плоской на уровне примерно +30 дБ, ФЧХ тоже будет плоской на уровне 0°. Добавление I-звена делает регулятор неустойчивым, причем генерация происходит на частоте единицы Гц. Видно, что на этих частотах введение I-звена увеличивает сдвиг фаз на 10...30°. Введение D-звена ситуацию исправляет. Все эти факты позволяют примерно оценить границы устойчивости.

У цифрового PID, думаю, ход графиков похожий, но есть некоторые отягчающие обстоятельства. При аналого-цифровом преобразовании с усреднением отсчетов появляется некоторая задержка, что даст дополнительный фазовый сдвиг. Еще некоторый фазовый сдвиг добавляет выходной фильтр ШИМ. В результате устойчивость ухудшается. Ну и плюс возможна неоптимальность коэффициентов PID. Прямо по коэффициентам цифрового PID я не смогу сказать, какой будет вид АЧХ/ФЧХ у регулятора. Можно цифровые коэффициенты перевести в параметры компонентов аналогового PID и в симуляторе его исследовать, но это какой-то слишком сложный путь. Правильней, наверное, сделать модель цифрового PID. Но тут я тоже не уверен, получится ли это в PSpice, или нужен какой-нибудь Матлаб или что-то подобное.

Наверное, вполне неплохой вариант – добавить аналоговый корректор АЧХ/ФЧХ в каком-то месте тракта, подобный обсуждаемой здесь RC-цепочке. Но прежде хотелось бы все-таки измерить реальные параметры всех частей тракта, раз почти все для этого готово. А потом уже делать дальнейшие выводы.

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, магнитофон
Subscribe

  • Путь к рынку

    Это очень долгий путь, поэтому будет длинный пост. Добро пожаловать под кат. 2. Недалеко от дома находится конечная остановка (диспетчерская…

  • Сказка на ночь

  • Охота

    Сегодня все утро перед окном кухни черный кот охотится за белкой. Кот влезает довольно высоко на дерево, а белка по тонким веткам перебирается на…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 27 comments

  • Путь к рынку

    Это очень долгий путь, поэтому будет длинный пост. Добро пожаловать под кат. 2. Недалеко от дома находится конечная остановка (диспетчерская…

  • Сказка на ночь

  • Охота

    Сегодня все утро перед окном кухни черный кот охотится за белкой. Кот влезает довольно высоко на дерево, а белка по тонким веткам перебирается на…