УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОИСПЫТАНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01M7/02 G01H17/00 

Изобретение относится к виброиспытательной технике и может быть использовано при испытаниях изделий типа тонкостенных консольных конструкций при отсутствии информации о частотных характеристиках объекта.

Известно устройство для виброиспытаний [1] , содержащее генератор с блоком компрессии, подключенные к нему управляющими входами два гетеродинных сопровождающих фильтра, привод самописца и через усилитель мощности вибратор, два вибропреобразователя, размещаемых на вибраторе и испытуемом изделии, первый из которых через первый согласующий усилитель подключен к информационному входу первого гетеродинного фильтра, выход которого соединен с блоком компрессии генератора, второй вибропреобразователь через второй согласующий усилитель подключен к информационному входу второго гетеродинного фильтра, выход которого соединен с информационным входом самописца, подключенный к выходу второго гетеродинного фильтра дифференциатор, соединенный с его выходом вычитающий блок, блок задания максимального уровня, подключенный ко второму входу вычитающего блока, компаратор, одним входом подключенный к вычитающему блоку, а другим - к выходу второго гетеродинного фильтра, и управляющий ключ, информационный вход которого подключен к выходу второго гетеродинного фильтра, управляющий вход - к выходу компаратора, а выход - к блоку компрессии генератора.

Известно также устройство для виброиспытаний [2], наиболее близкое к заявляемому, содержащее последовательно соединенные генератор развертываемого синусоидального сигнала с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), имеющим входы управления коэффициентом усиления и скоростью регулировки усиления, усилитель мощности и вибровозбудитель, установленный на платформе вибровозбудителя первый вибропреобразователь, соединенный через предварительный усилитель и первый сопровождающий фильтр с входом управления коэффициентом усиления, устанавливаемый на испытуемом объекте второй вибропреобразователь, соединенный через согласующий усилитель, второй сопровождающий фильтр и управляемый ключ с входом управления коэффициентом усиления, компаратор, входы которого соединены с источником опорного напряжения и выходом второго сопровождающего фильтра, а выход - с управляющим входом ключа, дифференциатор, подключенный входом к выходу второго сопровождающего фильтра, а выходом ко входу управления скоростью регулировки блока АРУ, самописец, информационный вход которого подключен к выходу второго сопровождающего фильтра, а вход развертки - к генератору, к которому подключены также управляющие входы сопровождающих фильтров.

Недостатком известных устройств является невысокая точность поддержания заданного уровня вибронагружения в условиях отсутствия информации о частотных характеристиках объектов типа тонкостенных консольных конструкций при испытаниях на воздействие гармонической вибрации с неизменной скоростью сканирования частоты при применении в цепи слежения дифференциатора с неизменными параметрами, не позволяющими подстраивать цепь слежения непосредственно в ходе испытаний.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение точности поддержания заданного уровня вибронагружения путем предсказания зон произвольного изменения параметров объекта типа тонкостенной консольной конструкции и превентивной подстройки параметров пропорционально-дифференцирующего звена в цепи слежения за уровнем нагружения.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для виброиспытаний содержит последовательно соединенные генератор, выполненный со входом плавного регулирования коэффициента усиления, и вибратор, состоящий из усилителя мощности и вибровозбудителя, на столе которого установлен испытуемый объект. Вибропреобразователь, установленный на объекте, своим выходом соединен с первым входом сопровождающего фильтра. Сопровождающий фильтр, амплитудный детектор и пропорционально-дифференцирующее звено (ПД-звено) соединены последовательно, причем второй выход генератора соединен со вторым входом сопровождающего фильтра, а вход плавного регулирования коэффициента усиления генератора - с выходом ПД-звена. Кроме того, устройство для виброиспытаний снабжено фазовым детектором, дифференциатором и компаратором, соединенными последовательно, причем первый и второй входы фазового детектора соединены соответственно с выходом сопровождающего фильтра и вторым выходом генератора, а пропорционально-дифференцирующее звено выполнено управляемым и его вход управления соединен с выходом компаратора. Для подстройки параметров ПД-звена его вход управления выполнен в виде логического входа аналогового ключа, аналоговый выход которого подключен к выходу ПД-звена, параллельно включенные второй конденсатор и первый резистор соединяют выход и информационный вход звена, а второй резистор включен между выходом звена и общей шиной. При этом первый конденсатор соединяет вход ПД-звена и аналоговый вход ключа.

Совокупность перечисленных существенных признаков позволяет повысить точность поддержания заданного уровня вибронагружения в условиях отсутствия информации о частотных характеристиках объектов типа тонкостенных консольных конструкций при испытаниях на воздействие гармонической вибрации с неизменной скоростью сканирования частоты. Повышение точности достигается тем, что пропорционально-дифференцирующее звено, стоящее в цепи обратной связи, выполнено управляемым и на его вход управления подается сигнал с выхода компаратора, который выполняет функцию определения знака дифференциала фазы. Фазовый детектор выдает на выходе фазочастотную характеристику объекта при развертке частоты, а дифференциатор выделяет зоны нарастания и уменьшения фазовой задержки. Поскольку в объектах типа тонкостенных консольных конструкций обычно имеется несколько резонирующих частей с различными частотами резонанса, имеет место взаимное влияние этих частей друг на друга и на вибровозбудитель (так называемое обратное влияние). Эти зоны взаимного влияния на фазочастотной характеристике отличаются уменьшением фазовой задержки в отличие от традиционного нарастания, характерного для чистых (без взаимного влияния) резонансных систем. На амплитудной характеристике при этом нет каких-либо признаков, позволяющих выделить указанные зоны. Выделение таких зон с помощью фазового детектора, дифференциатора и компаратора и использование выходного сигнала компаратора для подстройки параметров ПД-звена, выполненного управляемым, и позволяют достичь повышения точности поддержания заданного уровня вибронагружения этих объектов испытаний.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, на фиг. 2 - графики частотной зависимости сигналов на выходах отдельных блоков, на фиг. 3 - схема пропорционально-дифференцирующего звена.

Устройство для виброиспытаний (фиг. 1) содержит генератор 1 с блоком компрессии, имеющим вход плавного управления коэффициентом усиления, подключенный ко второму выходу генератора управляющим входом сопровождающий фильтр 2, подключенный к первому выходу генератора вибратор 3 с размещенным на нем испытуемым объектом 4, на котором находится вибропреобразователь 5, выход которого подключен к информационному входу сопровождающего фильтра 2, выход которого подключен к входу амплитудного детектора 6, ПД-звено 7, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора 6, а выход - ко входу плавного управления коэффициентом усиления блока компресии генератора 1, последовательно включенные фазовый детектор 8, дифференциатор 9 и компаратор 10, выход которого соединен с входом управления ПД-звена 7, при этом опорный вход фазового детектора 8 соединен со вторым выходом генератора 1, а информационный вход фазового детектора 8 - с выходом сопровождающего фильтра 2.

ПД-звено 7 изображено в развернутом виде на фиг.3 и содержит первый конденсатор 11 и первый резистор 12, включенные параллельно и соединяющие информационный вход и выход ПД-звена 7 , второй резистор 13, включенный между выходом ПД-звена 7 и общей шиной. В качестве входа управления ПД-звена 7 используется логический вход аналогового ключа 14, аналоговый выход которого подключен к выходу ПД-звена 7, а аналоговый вход через второй конденсатор 16 - к информационному входу ПД-звена 7.

Устройство работает следующим образом. Электрический гармонический сигнал, изменяющийся по частоте, с первого выхода генератора 1 подается на усилитель мощности вибратора 3 и преобразуется в механические колебания платформы вибровозбудителя вибратора 3, на которой закреплен испытуемый объект 4. Установленный на объекте 4 вибропреобразователь 5 вырабатывает сигнал отклика испытуемого объекта 4 на приложенное вибрационное воздействие. С выхода вибропреобразователя 5 нормализованный сигнал отклика, представляющий собой электрический сигнал в виде зашумленной синусоиды, подается на вход сопровождающего фильтра 2, перестраиваемого по сигналу генератора 1 с целью селекции основной гармоники вибрационного воздействия при развертке частоты по диапазону сканирования.

Отфильтрованный сигнал отклика через амплитудный детектор 6, выделяющий амплитуду сигнала, поступает на ПД-звено 7, преобразующее амплитуду сигнала отклика в сигнал управления коэффициентом усиления блока компрессии генератора 1. Блок компрессии изменяет уровень гармонического электрического сигнала на первом выходе генератора 1 в зависимости от амплитуды сигнала отклика и ее изменения, что позволяет поддерживать с определенной точностью уровень вибрационного воздействия на объект 4 в процессе сканирования частоты.

Однако реальные объекты, например, типа тонкостенных консольных конструкций имеют амплитудно-частотную характеристику с зонами наведенных резонансов, в которых амплитуда сигнала отклика характеризуется случайными возмущениями, не позволяющими эффективно работать обычным системам слежения с ПД-звеньями, имеющими неизменные параметры. Задача усложняется при отсутствии предварительной информации о частотных характеристиках объекта и, следовательно, возможности заранее оптимально настроить постоянную времени ПД-звена.

Задачу повышения точности поддержания заданного уровня вибронагружения в описанных условиях решает введение фазового детектора 8, дифференциатора 9 и компаратора 10 и использование информации, получаемой этими блоками, для адаптации параметров ПД-звена 7 к изменяющимся условиям работы. На фиг. 2 показаны графики частотной зависимости напряжений на выходах отдельных блоков устройства:
U_фд - напряжение на выходе фазового детектора 8,
U_диф - напряжение на выходе дифференциатора 9,
U_комп - напряжение на выходе компаратора 10,
F - частота.

Частотные оси всех трех графиков совпадают, поэтому характерные зоны выделены вертикальными линиями, проходящими через все три графика.

Работа блоков 8, 9 и 10 основана на том, что зоны наведенных резонансов могут быть идентифицированы по изменению фазы сигнала отклика относительно фазы вибрационного воздействия на объект до наступления этих зон, поскольку перед такими зонами фазовая задержка начинает уменьшаться вместо традиционного увеличения (фиг. 2, зоны 2, 4, 6). Поскольку сканирование частоты идет во времени и каждая точка на оси частот имеет соответствующую точку на оси времени, то частотную зависимость можно использовать как временную для осуществления адаптации.

Процесс управления реализуется следующим образом. Фазовый детектор 8 определяет фазочастотную характеристику испытуемого объекта 4 (U_фд, фиг. 2), на которой подход к зонам наведенных резонансов представлен в виде уменьшающегося значения фазовой задержки (зоны 2, 4, 6). Эти участки фазочастотной характеристики выделяет дифференциатор 9 (U_диф, на фиг. 2 помечены знаком "-"), а компаратор 10 формирует управляющие сигналы (U_комп, фиг. 2) для подстройки параметров ПД-звена 7 в моменты перехода через нуль сигнала на выходе дифференциатора 9. Причем в момент перехода от "+" к "-" формируется логическая "1", а в момент перехода от "-" к "+" формируется логический "0".

В условиях работы, когда компаратор 10 не выдает информацию о предстоящих зонах наведенных резонансов (на выходе компаратора 10 - логический "0"), аналоговый ключ 14 ПД-звена 7 разомкнут и звено осуществляет процесс управления с постоянной дифференцирования, определяемой параметрами элементов 11, 12, 13 ПД-звена 7 [3]:

где C - емкость 11 (фиг. 3),
R1 - резистор 12 (фиг. 3),
R2 - резистор 13 (фиг. 3).

Перед наступлением зоны наведенного резонанса срабатывает компаратор 10 (на его выходе появляется логическая "1"), срабатывает аналоговый ключ 14 ПД-звена 7 и параллельно основной емкости 11 подключается дополнительная емкость 15. В результате постоянная дифференцирования ПД-звена 7 увеличивается, что позволяет сделать цепь обратной связи невосприимчивой к случайным выбросам амплитуды и повысить точность поддержания заданного уровня нагружения.

После прохождения зоны наведенного резонанса восстанавливается нарастание фазовой задержки (фиг. 2, зоны 1, 3, 5, 7), сигнал на выходе дифференциатора 9 становится положительным и на выходе компаратора 10 присутствует логический "0". В результате параметры ПД-звена 7 возвращаются в исходное состояние и обеспечивают управление в обычном состоянии объекта испытаний.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность поддержания заданного уровня вибронагружения при испытаниях объектов типа тонкостенных консольных конструкций в условиях отсутствия априорной информации об их частотных характеристиках путем предсказания зон наведенных резонансов по изменению фазы сигнала отклика и изменения параметров ПД-звена системы слежения, что в критических ситуациях предотвращает и разрушение объекта.

Источники информации
1. А.с. СССР N 1041890, G 01 M 7/00, 1983, БИ N 34.

2. A.c. СССР N 1216695, G 01 M 7/00, 1986, БИ N 9 (прототип).

3. Кулаков Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования. Спр. пособие. -М.: Высш.шк., 1984. -192 с.

Устройство для виброиспытаний содержит последовательно соединенные генератор и вибратор, а также последовательно соединенные вибропреобразователь, сопровождающий фильтр, амплитудный детектор и пропорционально-дифференцирующее звено. Второй выход генератора соединен с вторым входом сопровождающего фильтра, а вход генератора - с выходом пропорционально-дифференцирующего звена. Устройство снабжено фазовым детектором, дифференциатором и компаратором, соединенными последовательно. Первый и второй входы фазового детектора соединены соответственно с выходом сопровождающего фильтра и вторым выходом генератора, а пропорционально-дифференцирующее звено выполнено управляемым и его вход управления соединен с выходом компаратора. Обеспечивается повышение точности поддержания заданного уровня вибронагружения путем подстройки параметров пропорционально-дифференцирующего звена. 3 ил.

Устройство для виброиспытаний, содержащее последовательно соединенные генератор, выполненный со входом плавного регулирования коэффициента усиления, и вибратор, последовательно соединенные вибропреобразователь, сопровождающий фильтр, амплитудный детектор и пропорционально-дифференцирующее звено, второй выход генератора соединен со вторым входом сопровождающего фильтра, а вход плавного регулирования коэффициента усиления генератора - с выходом пропорционально-дифференцирующего звена, отличающееся тем, что оно снабжено фазовым детектором, дифференциатором и компаратором, соединенными последовательно, причем первый и второй входы фазового детектора соединены соответственно с выходом сопровождающего фильтра и вторым выходом генератора, а пропорционально-дифференцирующее звено выполнено управляемым и его вход управления соединен с выходом компаратора.