СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПЛАВНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01P3/22 

Изобретение относится к области автоматики и измерительной техники, а точнее к способу контроля и оценки характеристик движения объекта.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при разработке и проектировании следящих систем, а также при автоматизации технологических процессов, где предъявляются повышенные требования к стабильности скорости движения или протекания процесса.

Известно устройство для измерения неравномерности скорости вращения объекта /1/, основанное на сравнении сигналов, поступающих с датчика, установленного на объекте измерения, и источника опорных напряжений.

Известное устройство обладает следующими недостатками:
не имеет возможности учитывать величину фоновой скорости движения наблюдаемого объекта;
нет функциональной зависимости между спектральной характеристикой скорости движения рассматриваемого объекта и спектральной характеристикой нечувствительности наблюдающего устройства;
не дает оценки плавности движения или протекания наблюдаемого процесса.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ контроля плавности движения механизма прибора /2/, принцип действия которого основан на преобразовании колебаний упругих элементов, закрепленных на контролируемом механизме, в электрические.

Недостатком известного способа является то, что данный способ позволяет только контролировать плавность движения прибора, но не имеет возможности оценивать величину неплавности движения.

Измерения, проводимые данным способом, осуществляются в относительно узком диапазоне скоростей и предпочтительно механических систем.

Технический результат изобретения расширение функциональных возможностей способа за счет использования спектральных характеристик электрического сигнала датчика скорости объекта, спектр которого характеризует движение данного объекта.

Указанный результат достигается следующим образом. Спектр, характеризующий процесс движения объекта, сравнивают со спектральной характеристикой зоны нечувствительности объекта, определяющей влияние колебаний величины скорости на качество процесса движения, которая устанавливается в зависимости от требований, предъявляемых к процессу, в результате чего мы получаем возможность определять величину, характеризующую плавность движения объекта. Если динамический процесс X(t) представить в виде суммы:
x(t) = Φ(t)+u(t) (1),
где (i 0, ±1, ±2,),
является сложной функцией со средним значением Φ ≠ 0, состоящей из суммы гармоник
(2),
а второе слагаемое
(3)
является случайной составляющей, тогда выражение для средней мощности процесса X(t), описываемого выражением (1), имеет вид
,
где F_i коэффициент ряда Фурье.

Средняя мощность функции X(t), энергетический спектр или спектральная плотность процесса определены на участке (0;∞) и представляются в виде комбинаций линейчатого спектра S_л(ω) и непрерывного S_н(ω). Для линейчатого спектра S_л(ω) процесса X(t) каждая ордината на частоте ω_к определяет среднюю мощность К-й гармоники. Для непрерывного спектра, ограниченного двумя ординатами и огибающей S_н(ω), средняя мощность определяется в полосе частот, соответствующих этим ординатам. Характеристикой нечувствительности агента или устройства измерения назовем кривую μ(ω,A), разделяющую плоскость, заданную координатами "квадрат амплитуды круговая частота", на две области: область чувствительности и область нечувствительности прибора. Частотный диапазон задается на сегмент (0, ∞), т.е. значение из рассмотрения исключается, так как движение с точно постоянной скоростью является плавным. Область нечувствительности характеризует нелинейные свойства устройства измерения, которые проявляются в том, что устройство не воспринимает множества ординат, расположенных ниже кривой μ(ω,A). Область чувствительности определяет такое множество амплитуд A_i(ω), зависящих от частоты, на которое устройство реагирует. Если энергетический спектр наблюдаемого процесса S(ω) = S_л(ω)+S_н(ω), представляющий сумму дискретной S_л(ω) и непрерывной S_н(ω) частей спектра, располагается ниже кривой μ(ω,A), не пересекая ее ни дискретной ни непрерывной частью, в пределах рассматриваемого частотного диапазона, то такой процесс характеризуется как "плавный" /см. фиг. 2/.

Если энергетический спектр исследуемого процесса X(t) располагается выше кривой μ(ω,A), пересекая ее дискретной или непрерывной частью, либо обеими частями одновременно, то такой процесс характеризуется как "неплавный" /см. фиг. 3 и 4/.

Формализуя спектральный подход к оценке плавности движения объекта, выразим критерий П, численно характеризующий величину плавности движения объекта, в следующем интегральном виде:
(5),
где S(ω) спектральная характеристика движения объекта,
μ(ω,A) спектральная характеристика зоны нечувствительности,
ω_н,ω_к круговые частоты, характеризующие начало и конец частотного диапазона спектра измеряемого процесса,
I множитель, определяемый в виде
0 при S(ω)-μ(ω,A)<0,
1 при S(ω)-μ(ω,A)>0
осуществляет выделение частотных областей, по которым производится интегрирование.

В результате функция П как мера неплавности движения объекта численно характеризуется соотношением:
(6),
где П составляющая разностей на частотах.

Мера плавности динамического процесса характеризуется численным значением выражения
П А (7/),
где А физическая величина и имеет размерность энергии.

По этой величине мы может следить за плавностью протекания динамического процесса и производить оценку величины его неплавности.

Структурная схема устройства, реализующего данный способ измерения плавности динамического процесса, показана на фиг. 1.

Устройство работает следующим образом. Сигнал, поступающий с датчика скорости в виде аналогового напряжения, поступает на вход анализатора 1 спектра /СК4-72/. Мгновенное значение сигнала преобразуется АЦП в цифровой код и последовательно заносится в запоминающее устройство /ЗУ/. При заполнении ЗУ последующие выборки заносятся на место старых, которые стираются. Одновременно с этим производится считывание записей в ЗУ со скоростью, значительно превышающей скорость записи. Таким образом, получается сжатая во времени копия входного сигнала, которая анализируется анализатором спектра последовательного типа. Анализатор спектра работает в реальном масштабе времени, так как время, затрачиваемое на получение спектра входного сигнала, не превышает длительности реализации сигнала, который хранится в его памяти и подвергается обработке. Усредненный спектр исследуемого движения с выхода блока построителей спектров индуцируется на экране блока индикации в виде графика в координатах "амплитуда-частота". Параллельно блоку индикации сигнал, характеризующий спектр, в виде кода подается на схему сравнения 2, реализованную на обычных сумматорах. На второй сход схемы сравнения подается сигнал с предварительно запоминающего устройства /ПЗУ/ 3, где записана информация о зоне нечувствительности устройства, характеризующая требования, предъявляемые к процессу, а также нелинейные свойства объекта. Сигналы, поступившие в схему сравнения, сравниваются, вычитаются, и результат подается в схему анализа знака 4, реализованную на логических элементах ДА-НЕТ. При положительной разнице разности S(ω)-μ(ω,A) сигнал в виде цифрового кода поступает на сумматор 5, где происходит суммирование всех положительных разностей кода сигнала в соответствии с частотой дискретизации, вырабатываемой блоком синхронизации анализатора спектра. Полученная сумма подается на цифроаналоговый преобразователь 6 /ЦАП/. С выхода ЦАП напряжение, пропорциональное интегральной зависимости:

подается на аналоговое регистрирующее устройство 7, что позволяет отображать информацию о плавности движения исследуемого объекта.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в задачах анализа плавности движения динамического объекта, а также в системах повышения качества прецизионных следящих систем и средств автоматизации технологических процессов в областях фотографирования, искусственного выращивания кристаллов, электронного напыления, лазерной сварки, резки, а также во всех процессах, предъявляющих повышенные требования к равномерности процесса движения, что позволит в соответствии с требованиями плавности анализируемого технологического процесса давать рекомендации по улучшению показателей качества управления процессом.

Использование: в области автоматики и измерительной техники для контроля и оценки характеристик движения объекта, для контроля плавности движения динамических процессов, а также для определения величины, характеризующей неплавность. Сущность изобретения: спектр, характеризующий процесс движения, сравнивают со спектральной характеристикой зоны нечувствительности объекта, определяющей влияние колебаний на качество процесса движения и устанавливаемой в зависимости от требований, предъявляемых к процессу, в результате чего появляется возможность определить величину, характеризующую плавность движения объекта. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля и измерения плавности движения объекта, основанный на преобразовании колебаний упругих элементов датчика скорости, закрепленных на объекте, и снятии спектральной характеристики движения объекта, отличающийся тем, что спектральную характеристику движения объекта сравнивают со спектральной характеристикой зоны нечувствительности объекта, определяющей его чувствительность к характеру изменения скорости объекта, устанавливаемой в зависимости от требований, предъявляемых к процессу, и определяют величину, характеризующую плавность движения объекта, в виде параметра П в соответствии с выражением:

где S(ω) спектральная характеристика движения объекта;
μ(ω,A) спектральная характеристика зоны нечувствительности к процессу движения;
J постоянный множитель;
ω_н,ω_к частоты, характеризующие начало и конец интервала интегрирования;
А амплитуда спектра процесса движения. 2. Устройство для контроля и измерения плавности движения объекта, содержащее анализатор спектра, вход которого соединен с датчиком скорости объекта, отличающийся тем, что в него введены предварительно запоминающее устройство и последовательно соединенные блок сравнения, блок анализа знака, сумматор, цифроаналоговый преобразователь, индикатор, причем выходы синхроимпульсов анализатора спектра соединены с входами сумматора и предварительно запоминающего устройства, а информационный выход с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом предварительно запоминающего устройства.