leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Categories:

САР натяжения – обезнадеживающие результаты



Сегодня собрал схему согласования со звуковой картой для инжекции и снятия сигнала. Чтобы минимально влиять на схему, инжектировать сигнал надо через большой резистор, скажем, 100 кОм. А это требует большой амплитуды сигнала. Для этого собрал согласующий усилитель с коэффициентом усиления 10. Для снятия сигнала тоже сделал усилитель, но с коэффициентом усиления 100, так как переменная составляющая сигнала на выходе датчика натяжения очень маленькая. Попытался с помощью звуковой карты снять АЧХ и ФЧХ механики вместе с датчиком.



Снимать надо с разомкнутой петлей САР, в результате натяжение пляшет, что мешает измерениям. Программа audioTester на низких частотах делает свип о-о-очень медленно. За это время радиусы рулонов ленты успевают измениться, приходится вручную корректировать натяжение, а это громадный скачок на графиках. К тому же, программа постоянно вылетает, потому что бесплатный вариант ограничен по времени сеанса. В общем, одни мучения. Как-то снял кусками, но ничего интересного не увидел. АЧХ монотонно спадает, начиная где-то с 7 Гц, наклон примерно 20 дБ на декаду, т.е. это первый порядок. Сдвиг фазы монотонно растет. Никаких резонансов не увидел. На глаз амплитуда колебаний рычага полностью соответствует графику. Выше 20 Гц уже ничего не видно, сигнал тонет в шумах.

В общем, звуковая карта мало чем тут может помочь. Чтобы сравнить датчики, инжектировал сигнал 14 Гц с генератора. Почему-то на выходе нового датчика сигнал 14 Гц оказался в полтора-два раза выше, чем у старого. При этом постоянное напряжение на выходе обоих датчиков было одинаковым, отклонение рычага было одним и тем же. Статическая передаточная характеристика датчиков в окрестностях этой точки отличается не больше, чем на 5 – 10%, это я измерял. Откуда разница в переменной составляющей – не понимаю. Посмотрел осциллографом фазовый сдвиг – для обоих датчиков он оказался одинаковым и составил на этой частоте около 30° (это вместе со всей механикой). В общем, загадка нового датчика так и осталась – разница видна, но причина непонятна.

Вчерашняя радость тоже оказалась преждевременной. Дело в том, что эта система имеет специфику: каждое изменение должно тестироваться в начале, середине, конце катушки, на маленьких катушках, на больших. При таких проверках приходится переставлять или перематывать ленту, а это занимает порядочно времени. Каждый чих, каждое изменение коэффициента влечет за собой длинный шлейф проверок. Так оказалось и с добавлением RC-цепочки, которая якобы давала устойчивость. Да, устойчивость появлялась всегда и везде. Но в случае малого радиуса рулона переходной процесс был совершенно неприемлемым – выход на рабочее натяжение сопровождался затухающими колебаниями низкой частоты и большой амплитуды.

Как оказалось, действие корректирующей RC-цепочки может быть сымитировано соответствующим выбором коэффициентов PID. В модели соединил аналоговый PID и фильтр PWM с этой RC-цепочкой. Затем на модели попытался добиться того же результата без цепочки. Это удалось совместным уменьшением коэффициентов P и D. АХЧ точно совпала, а запас по фазе даже оказался чуть-чуть больше. Попробовал таким образом поменять коэффициенты в цифровом PID. Получил точно такой же результат, как с RC-цепочкой. Устойчивость есть всегда, но переходной процесс неприемлемый.

Раз начал менять коэффициенты PID, попробовал еще раз пройтись по ним подбором. В принципе, можно найти что-то приемлемое, но качество работы системы всегда хуже, чем со старыми датчиками. Если улучшаю переходную характеристику, то приближаюсь к неустойчивости.

Попытка промоделировать дискретный PID-регулятор в PSpice тоже не удалась. Меня интересовал AC-анализ, когда строится АЧХ и ФЧХ. Естественно, что в таком режиме симуляции последовательностная логическая схема не работает. В Матлаб, возможно, такое сделать получится, хотя я никогда не видел там анализа АЧХ, всегда был только анализ отклика на воздействие.

Единственное, что удалось посмотреть, это фазовый сдвиг пары АЦП-ЦАП вместе с восстанавливающим фильтром. В теории при дискретизации входного сигнала (зеленый график) возникает задержка на половину периода дискретизации. Фильтр добавляет свой сдвиг фазы (выход фильтра – синий график). Суммирование отсчетов АЦП на интервале дискретизации и вычисление среднего еще добавляет половину периода (желтый график нанесен вручную, ведь в модели усреднения не было). В результате на частоте 14 Гц общий сдвиг фазы получился примерно 30°. Это чистый убыток для устойчивости. Хотя это и не так и много.



Бороться можно только увеличением частоты дискретизации, но как-то странно, что не хватает частоты в 10 раз больше самой высокой возможной частоты возмущения. Возможно, как-то можно эту задержку компенсировать, но я не знаю способа.

Решил еще проверить реализацию цифрового PID. С выхода фильтра ШИМ сигнал через интегрирующую RC-цепочку с большой постоянной времени подал на вход (куда обычно подключается датчик натяжения), чтобы замкнуть петлю по DC. Одновременно на вход подмешал сигнал с генератора. По переменке петля разорвана, поэтому увижу коэффициент передачи PID в чистом виде. Все как и положено – если отключить D-канал, то вижу сдвиг фазы порядка 30°. Если увеличивать коэффициент D, сдвиг фазы уменьшается, затем меняет знак (появляется опережение). В принципе, все как и для аналогового регулятора, не считая потерянных 30°. С рабочими значениями коэффициента D усиление на высоких частотах получается очень большое, на выходе PID видно много помех. Вероятно, в основном это усиленный шум квантования. Но в целом ничего криминального нет. С измеренным сдвигом фаз механики тут даже без D система должна быть абсолютно устойчивой. Но нет. Почему – не понимаю.

Вернул на место старый датчик и еще раз прогнал во всех условиях, с разными катушками. Работает очень хорошо, переходная характеристика однозначно лучше, чем у аналогового PID. Хотя там, наверное, тоже можно было бы оптимизировать коэффициенты, но этим никто не занимался. Да, с устойчивостью не так хорошо, но во всем диапазоне натяжений с выбранными коэффициентами она достигается. С новым датчиком выбросы в полтора-два раза выше. Время сдаться и оставить старые датчики? Как-то не очень приятно. Новый датчик полностью в моих руках. Могу поменять в нем все, что угодно. Но что поменять, чтобы он заработал так, как старый, я не знаю.

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

  • Заговор

    Решил сделать себе электрический удлинитель для легких нагрузок (light loads). Цвет провода выбрал черный, это гораздо практичней. Посмотрите на…

  • Centropen White Permanent

    Купил белый перманентный маркер. Пишет по различным темным поверхностям. Покупка класса "как я раньше без этого жил". Цена вопроса - 1$ в…

  • Щупы

    Извечная проблема - удобные щупы к тестеру. Ни одни готовые не устраивают в полной мере. Чаще всего они не очень острые, что затрудняет работу с…

  • 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.
  • 47 comments

  • Заговор

    Решил сделать себе электрический удлинитель для легких нагрузок (light loads). Цвет провода выбрал черный, это гораздо практичней. Посмотрите на…

  • Centropen White Permanent

    Купил белый перманентный маркер. Пишет по различным темным поверхностям. Покупка класса "как я раньше без этого жил". Цена вопроса - 1$ в…

  • Щупы

    Извечная проблема - удобные щупы к тестеру. Ни одни готовые не устраивают в полной мере. Чаще всего они не очень острые, что затрудняет работу с…