СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫМ ВИБРОСТЕНДОМ Российский патент 2000 года по МПК G05B11/32 

Изобретение относится к испытательной технике, а более конкретно к устройствам управления многоканальными вибростендами, предназначенными для испытаний конструкций на вибропрочность.

Известны вибрационные испытательные системы, такие, например, как описанные в патенте США кл. 73-71-6 G 01 N 29/00 N 3800588, в патенте США кл. 73-71.6 N 3911732, авторском свидетельстве СССР N 924665, в которых испытуемый объект устанавливается на виброплатформу, приводимую в движение двумя или более параллельно работающими вибровозбудителями.

Во всех указанных устройствах различными способами решается задача обеспечения синфазной работы вибровозбудителей. Эта проблема обусловлена тем, что каждый контур автоматического регулирования электрогидравлического привода имеет отличную от другого фазово-частотную характеристику; это отличие заложено в неидеальности изготовления отдельных узлов системы, наличии транспортных запаздываний, воздействии внешних дестабилизирующих факторов - температуры, смещения центра тяжести испытуемой конструкции, резонансных явлений и т.д.

Задача обеспечения синхронной работы вибровозбудителей в указанных устройствах решается при помощи обратных связей.

Из известных устройств наиболее близким является описанное в авторском свидетельстве СССР N 924665, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, преобразователь код - частота и делитель частоты, а также по числу исполнительных механизмов каналы управления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных реверсивного счетчика, цифроаналогового преобразователя, сумматора, гидроусилителя, вибровозбудителя и датчика обратной связи, выход которого через усилитель подключен ко второму входу сумматора.

В каждый канал управления включены задатчик и последовательно соединенные усилитель-ограничитель, цифровой фазовый детектор и цифровой блок коррекции, выход которого подключен к входу реверсивного счетчика, а третья группа входов - к соответствующим выходам преобразователя код - частота, причем вход и выход делителя частоты соединены соответственно со вторым и третьим входами цифрового фазового детектора, а вход усилителя-ограничителя подключен к выходу датчика обратной связи.

Принцип синхронизации работы вибровозбудителей в устройстве заключается в том, что для каждого периода задающего сигнала проводится измерение значения фазовой ошибки рассогласования, и в следующем периоде вводится соответсвующая коррекция фазы задающего сигнала.

Основным недостатком указанного устройства является невозможность поддержания заданных фазовых сдвигов колебаний вибровозбудителей при моделировании реальных условий нагружения, когда требуется обеспечить синхронность колебаний в условиях формируемого по случайному закону или воспроизводимому с магнитографа сигнала задания колебаний или обеспечить заданный фазовый сдвиг между возбудителями вибраций для получения эффекта "бегущей волны" нагружения в тех же условиях.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей испытательных многоканальных вибрационных стендов, обеспечивающих синхронную работу отдельных вибровозбудителей при случайном законе вибрационного нагружения.

Поставленная цель достигается тем, что в систему управления многоканальным вибростендом, содержащую устройство вычислительное, функциональный генератор, а также по числу исполнительных механизмов каналы управления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных сумматора, усилителя мощности и датчика перемещения, выход которого подключен ко второму входу сумматора; дополнительно введены программно-управляемые таймер, формирователь зондирующего импульса, мультиплексор, демультиплексор и дифференцирующее устройство, а также по числу каналов управления программно-управляемые устройства временной задержки, включаемые в разрыв между сумматором и усилителем мощности, причем выход сумматора подключен к входу устройства временной задержки, а его выход - к входу усилителя мощности; выход формирователя зондирующего импульса подключен к входу демультиплексора, выходы которого подключены к третьим входам сумматора каждого канала управления; входы мультиплексора подкючены к выходам усилителя-преобразователя каждого канала управления, а выход мультиплексора подключен к входу дифференцирующего устройства, выход которого подключен к первому входу таймера, второй вход которого подключен к выходу формирователя зондирующего импульса.

За счет дополнительно введенных элементов система управления решает задачу синхронизации отдельных вибровозбудителей на основе принципа движения морского конвоя, в соответствии с которым общая скорость движения определяется скоростью наименее быстроходного судна. В предлагаемой системе управления этот принцип реализуется коррекцией постоянных времени каналов управления периодически по следующему алгоритму.

1. Определяется постоянная времени τ каждого электрогидравлического следящего контура, входящего в синхронизируемую систему.

2. Из них определяется наибольшая постоянная времени τ_max.
3. Для каждого контура определяется недостающее запаздывание
dτ = τ_max-τ.
4. Полученное значение недостающего запаздывания вводится в свой контур управления.

5. Через установленный промежуток времени процесс повторяется с пункта 1.

При таком подходе к решению задачи, с одной стороны, ухудшается амплитудно-частотная характеристика наиболее быстродействующего канала управления, с другой стороны, уравнивание постоянных времени каналов управления делает идентичными их фазово-частотные характеристики, что в конечном итоге приводит к синхронной работе всех вибровозбудителей, уменьшает колебательность всей многоканальной системы, расширяет ее амплитудно-частотную характеристику, увеличивает точность отработки задающего воздействия и уменьшает потребляемую мощность.

На чертеже приведена структурная схема системы управления многоканальным вибростендом.

Система управления содержит устройство вычислительное 1, функциональный генератор 2, демультиплексор 3, мультиплексор 4, таймер 5, формирователь зондирующего импульса 6, дифференцирующее устройство 7 и по числу каналов управления сумматоры 8, программно-управляемые устройства временной задержки 9, усилители мощности 10, преобразователи электрогидравлические 11, гидроцилиндры 12, датчики перемещения 13, усилители-преобразователи 14.

В качестве устройства вычислительного 1 может быть использована любая вычислительная система с возможностью подключения внешней информационной магистрали ввода - вывода; в качестве функционального генератора 2 может быть использовано любое из известных устройств многофункциональных генераторов с возможностью программного управления.

Формирователь зондирующего импульса 6 представляет собой программно запускаемую схему одновибратора с заданной характеристикой крутизны фронта и среза выходного сигнала.

Демультиплексор 3 представляет собой программно-переключаемый коммутатор, число аналоговых выходов которого равно числу контуров управления, и имеет один информационный аналоговый вход.

Мультиплексор 4 представляет собой программно-переключаемый коммутатор, число аналоговых входов которого равно числу контуров управления, и имеет один информационный аналоговый выход.

Дифференцирующее устройство 7 представляет собой дифференциальную цепь и нормирующий усилитель-одновибратор, обеспечивающие при поступлении на вход сигнала заданный крутизны фронта формирование прямоугольного фронта выходного сигнала, позволяющего управлять таймером.

Таймер 5 может быть построен на основе любого из известных программно-управляемых интегральных таймеров, имеющих входы запуска и останова счета.

Программно-управляемое устройство временной задержки 9 предназначено для задержки выходного аналогового сигнала относительно входного на задаваемую величину и может быть построено по схеме, приведенной в книге В.Л.Шило "Функциональные аналоговые интегральные микросхемы". Москва: "Радио и связь", 1982 г., стр.48, рис. 1.27в.

Неперечисленные элементы контуров управления общеизвестны и имеют широкое применение в практике построения электрогидравлических следящих систем.

Система управления многоканальным вибростендом, структура которого приведена на чертеже, функционирует следующим образом.

При запуске устройство вычислительное устанавливает единое минимальное значение задержки в устройство временной задержки для всех контуров управления путем записи по информационной магистрали соответствующих числовых значений в их регистры; после этого устройство вычислительное настраивает функциональный генератор на нужный режим работы и запускает его.

Выходной сигнал функционального генератора поступает на первый вход сумматора во всех каналах управления и далее через устройство временной задержки и усилитель мощности на вход преобразователя электрогидравлического, что приводит к соответствующему перемещению плунжеров гидроцилиндров. При этом датчик перемещения формирует сигнал обратной связи, который поступает на вход усилителя-преобразователя, с выхода которого усиленный и пронормированный сигнал обратной связи поступает на второй вход сумматора, замыкая тем самым цепь обратной связи по перемещению плунжера гидроцилиндра.

При необходимости выполнения фазовой коррекции через установленный промежуток времени устройство вычислительное выполняет поочередно для каждого канала измерение постоянной времени.

Для этого демультиплексор переключается на передачу сигнала на выход, связанный с третьим входом сумматора соответствующего канала, а мультиплексор - на передачу сигнала с выхода усилителя-преобразователя выбранного канала на вход дифференцирующего устройства. В счетный регистр таймера устройство вычислительное заносит начальное значение счета. После этого устройство вычислительное запускает формирователь зондирующего импульса, зондирующий импульс с выхода которого поступает на первый вход таймера, запуская счет, а кроме того, через демультиплексор поступает на третий вход сумматора выбранного канала управления.

В результате этого зондирующий импульс с выхода сумматора через устройство временной задержки и усилитель мощности поступает на преобразователь электрогидравлический, вызывая соответствующее перемещение плунжера гидроцилиндра с задержкой, обусловленной его постоянной времени и прочими факторами запаздывания.

Усиленный и пронормированный сигнал отклика от датчика перемещения с выхода усилителя-преобразователя поступает через мультиплексор на вход дифференцирующего устройства, который выделяет его на фоне сигнала обратной связи контура управления и шумов. С выхода дифференцирующего устройства сигнал отклика поступает на второй вход таймер, останавливая счет. Устройство вычислительное считывает и запоминает полученное значение временной задержки срабатывания в условных единицах.

После измерения времени отклика для всех каналов управления устройство вычислительное определяет наибольшее значение и вычисляет недостающее для каждого более быстродействующего канала.

Пересчитанные с учетом соответствующих коэффициентов числовые величины, пропорциональные времени задержки, записываются по информационной магистрали в соответствующие устройства временной задержки контуров управления, обеспечивая тем самым единое значение постоянной времени каждого канала.

Последующие циклы измерения и корректировки устройство вычислительное проводит в соответствии с результатами предыдущих действий.

Поскольку практически любая система управления имеет дополнительный вход внешнего задатчика, выход обратной связи, а усилитель мощности чаще всего представляет собой отдельный конструктивно законченный блок, присоединение дополнительных модулей системы управления не представляет особого труда, и тем самым обеспечивается возможность ее встраивания в уже существующие многоканальные системы.

Изобретение относится к устройствам управления многоканальными вибростендами, предназначенными для испытания конструкций на вибропрочность. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей испытательной установки за счет проведения испытаний в широком диапазоне форм задающего воздействия от периодических вибраций до случайных непериодических с сохранением заданных фазовых сдвигов между вибровозбудителями в заданном диапазоне частот вибраций. Технический результат достигается уравнением постоянных времени каналов путем включения в контур управления каждого виброканала звеньев чистого запаздывания с программным управлением. Новым в системе управления является то, что в нее дополнительно введены программно-управляемые таймер, формирователь зондирующего импульса, мультиплексор, демультиплексор, а также по числу каналов управления программно-управляемые устройства временной задержки, что позволяет установить постоянную времени каждого канала равной постоянной времени канала с наибольшей величиной запаздывания путем программирования устройств временной задержки по результатам измерения постоянных времени всех каналов. Измерение постоянных времени производится путем определения времени отклика на зондирующий сигнал. 1 ил.

Система управления многоканальным вибростендом, содержащая устройство вычислительное для программного управления соответствующими блоками, функциональный генератор, а также по числу исполнительных механизмов каналы управления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных сумматора, усилителя мощности, преобразователя электрогидравлического и связанного с ним датчика перемещения, выход которого через усилитель-преобразователь подключен ко второму входу сумматора, отличающаяся тем, что дополнительно введены программно-управляемые таймер, формирователь зондирующего импульса, мультиплексор, демультиплексор и дифференцирующее устройство, а также по числу каналов управления программно-управляемые устройства временной задержки, включаемые в разрыв между сумматором и усилителем мощности, причем выход сумматора подключен к входу устройства временной задержки, а его выход - к входу усилителя мощности, выход формирователя зондирующего импульса подключен к входу демультиплексора, выходы которого подключены к третьим входам сумматора каждого канала управления, входы мультиплексора подключены к выходам усилителя-преобразователя каждого канала управления, а выход мультиплексора подключен к входу дифференцирующего устройства, выход которого подключен к первому входу таймера, второй вход которого подключен к выходу формирователя зондирующего импульса, выход функционального генератора подключен к первым входам сумматоров каждого канала управления.