Устройство для моделирования распространения возмущений Советский патент 1983 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к моделиру щим устройствам и может быть исполь эовано для исследования сложных сис тем состоящих из большого числа элементов и функционирующих в изменяющейся обстановке. Известны устройства моделировани раслространения возмущений вдоль железнодородного поезда, например, при его движении с постоянной скоростью по перелому продольного профиля-пути, которое состоит из цепоч ки блоков постоянного, запаздываний, осуществляющих задержку сигнала на время, в течение которого поезд прох дит путь, равный длине вагонов, объ диненных при моделировании в одну группу l . Недостаток данного устройства заключается в том, что оно позволяет моделиррвать движение поезда через перелом продольного профиля пути только с постоянной скоростью. Кроме того, с его помощью невозможно одновременное задание нескольких независимых распространяющихся воз. мущений. Наиболее близким к изобретению является устройство модел;1рования распространения фронта волны разряда тормозной магистрали и волны н полнения магистрали воздухом, в кот ром моделирование распространения фронта волны разряда и наполнения тормозной магистрали осуществляется регистром, выполненным из стандартных по схеме триггеров,, связанных между собой линиями задержки. Импул .сы с частотой, соответствующей скорости разряда магистрали, поступают от генератора на первую группу входных вентилей. Распространению волны разряда магистрали соответствует волна перехода триггеров . в единичное состояние.. Изменив частоту генератора на соответствующую скорости наполнения магистрали воздухом, подают импульсы на вторую группу входных вентилей. При этом триггеры последовательно возвращают ся в исходное /нулевое состояние. Волна перехода триггеров в-нулевое состояние соответствует распространению волнь наполнения магйстра Ли воздухЬм 1X1 Недостаток Известного устройств состоит в том, что оно позволяет мо делировать распространение в системе только одного независимого возмущения и только с заранее заданной постоянной скоростью, опреде ляемой частотой генератора. Целью изобретения является расгцнрение функциональных возможностей модели за счет одновременного задания нескольких независимых возмущений, распространяющихся с необходимой скоростью. Цель достигается тем, что в устройство для моделирования распространения возмущений, содержащее модель исследуемой системы, введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, дешифратор и коммутатор, а модель к исследуемой системы содер.жит две группы сумматоров по К сумматоров в каждой группе, первую группу из (k +1)-го интегратора, вторую группу из К интеграторов и выходной интегратор,, причем первый, вход первого сумматора первой группы соединен с выходом первого интегратора второй группы, второй вход первого сумматора первой группы и вхо.цы остальных сумматоров первой группы соединены.соответственно с выходами коммутатора, выход -го сумматора первой группы соединен с первым входом (i +1)-го интегратора первой группы (,k) и вторым входом -го интегратора первой группы, установочные входы всех интеграторов первой группы объединены и являются установочным входом устройства, а второй вход первого интегратора первой группы является входом ввода исходных данных устройства, выход первого интегратора первой группы соединен с первым входом первого интегратора второй группы, первым входом первого сумматора второй группы и входом выходного интегратора, выход которого является выходом устройства, выход р-го .интегратораПервой группы /р 2,k) подключен к первому входу р-го сумматора второй группы и первому входу р-го интегратора второй группы, второму входу (р-1)-го интегратора второй группы и второму входу (p-l) -го сумматора второй группы, выход (k+l)-ro интегратора первой группы подключен к второму входу К-го интегратора первой группы и подключен к второму входу К-го интегратора второй группы и второму входу К-го сумматора второй группы, выходы интегратора второй группы и сумматоров второй группы являются группой выходов устройства, а выход выходного интегратора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - вариант структурной схемы модели исследуемой системы; на фиг. 3 - схема дешифратора и коммутатора, на фиг. 4 продольная структура участка пути, на котором моделировалось движение поезда, на фиг. 5 - осциллограмма решения, полученного при помощи предлагаемого устройства. Устройство (фиг. 1J состоит из аналого-цифрового преобразователя 1, деШифЕ аТора 2, коммутатора 3 и модели 4 исследуемой системы.. Модель 4 исследуемой системы содержит первую группу интеграторов 5,767 первую группу сумматоров Ь,- 6g, вторую группу интеграторов 7 - 1( , вторую группу сумматоров 8 - 8 , выходной интегратор 9, вход 10 установки, вход 11 ввода исходных данных. Дешифратор 2 и коммутатор 3 (фиг, З) содержат резисторы 12, транзисторы 13, конденсаторы 14, . диоды 15. модели, с которого снимается управляющее напряжение, соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 1, входы которого подключены к входным шинам дешифратора 2, выходы которого соединены с входами коммутатора 3, выходы которо го подключены к элементам модели 4. Дешифратор 2 набирается таким образом, что наличие сигнала на каком-либо его выходе соответствует пе реходу системы через границу интерв.ала управляющего напряжения, на котором к определеннсяиу элементу системы прикладывается возмущение. Выходы дешифратора 2, определяющие начальные и конечные границы таких интервалов, подсоединены сЪответственно к единичным и нулевым входам триггеров коммутатора 3. При работе модели 4 подаваемое на ее выход напряжение - аналог величины, характеризующей состояние исследуемой системы, изменяется. При совпадении двоичного кода величины этого напряжения, с числом, закодированным в дешифраторе 2, на соответствующем его выходе появляется им пульс напряжения. Этот импульс, поступая на единичный -ВХОД триггера, переводит его в единичное состояние т.е. на выходе триггера, подключенно у, сбответствуклцему элементу модели 4, пдявляется напряжение - аналог йозмущения, прикладываемого к этому элементу. При лрохождении системой конечной границы интервала действия возмущения появляется импульс напряжения на выходе дешифратора 2, подключенном к нулевому входу тригге ра. Триггер перебрасывается в.исходное состояние, действие возмущения прекращается. Аналогично подключается и отключается напряжение - аналог возмущения ко всем остальным элементам системы. Набирая соответствуктцим образом дешифратор, можно моделировать лш- бой Нужный режим работы исследуемой cиcтeмыj получая необходимое количество действующих на нее возмущений, распространяющихся с необхолимой скоростью. Схема модели 4 исследуемой системы по количеству структурных элементов, приведенных на фиг. 2, соответс вует электронной модели миксерного поезда, состоящего из локомотива и шести миксеров, предназначенных для транспортировки расплавленного металла. Блоки 5 , 6, 7 , 8, моделируют движение локомотива, а каждые последующие четыре блока с одинаковыми индексами - движение каждого миксера как твердого тела. Сумматоры 8 реализуют демпфирующие свойства моделируемого объекта (рассеивание энергии в системе при ее движении). Реализация линейных или нелинейных характеристик междувагонных Ьоединений осуществляется с помощью сумматоров 6 путем включения соответствую щих обратных связей в их операционных усилителях. На приведенной (фиг. 5) осциллограмме изменения усилий на выходах этих усилителей соответствуют линейным силовым характеристикам междувагонных соединений. Как известно, реализация линейных либо нелинейных характеристик соединений не приводит к изменениям времени интегрирования уравнений движения и не оказывает никакого влияния на движенне системы в целом, а приводит лишь к изменению внутренних усилий. Это в свою очередь приводит к отсутствию отличий при использовании устройства для реализации как линейных, так и существенно нелинейных задач динамики сложных механических систем. На выходах интеграторов 5 формируются абсолютные скорости движения всех семи масс (локомотива и шести миксеров), а на выходах интеграторов 7 относительные перемещения этих же масс. Интегратор 9 обеспечивает получение абсолютного перемещения локомотива, т.е. характеризует путь прохождения поездом в течение всего времени его движения. Это напряжение-- аналог пути, пройденного поездом, и подается в качестве управляющего на блок 1, С выхода блока 3 на интеграторы 5 подаются напряжения - аналоги распространяющегося возмущения. На вход интегратора 5 подается и напряжение F. , характеризующее силу тяги локомотива. При необходимости моделирования другого числа масс структура модели может быть соответствующим образом изменена. С помощью устройства моделировалось движение миксерного поезда, состоящего из локомотива и шести миксеров, предназначенных для транспортировки расплавленного металла, по участку пути длиной 2000 м (фиг. 4) . Участок состоит из горизонтального отрезка длиной 400 м,.подъема - 16% длиной 678 м, горизонтального, отрезка АЛИНОЙ 254 м, спуска i 16% длиной.J

300 м и завершается горизонтальным отрезком Длиной 400 м.

, Для моделирования движения поезда по исследуемому участку необходимо прикладывать/усилие, вызываемое уклоном, поочередно к каждой массе в момент въезда ее на . уклЬн и убирать при илездё на горизонтальный отрезок пути. , Длина локомбтива 17 м, миксера 32,6 м. Выбирая масштаб моделирования 1 - 5 м и учитывая, что число 1 на выходе АЦП соответствует напряжению 10 мВ на его входе, получим, что длина локомотива выразится числом 8, миксера - .16, а длины горизонтальных отрезков и уклонов на исследуемом участке:-, числами , 200, 339, 77, 150 и 200 соответственно. Это значит, что к первой мае ме (локомотив) усилие, вызванное въездом На подъем, должно быть подключено при числе 200 на выходе АЦП, к второй массе .- при числе 208, к третьей - 224 и т.д. Аналогично, моменты отключения задаются числами 439, 547, 563 и т. д.

Поэтому дешифратор набран таким образ1ом, что на его первом выходе сигнал появляется При выходе АЦП равном 200, на втором - при 20В на третьем - при 224, Таким образом программируется весь моделируемый участок.

На вход АЦП подается с модели напряжение - аналог пути, пройден:-ного поездом. При работе модели это напряжение нарастает. При совпадении цифрового кода величины этого напряжения на выходе ДДП с числом, закодированным в дешифраторе, на соответствующем его выходе появляется импульс напряжения, который, поступая на тот или иной вход триггера в -коммутаторе, перебрасывает его в тре.буемое состояние. Например, пр прохождении локомотивом точки начал подъема, находящийся на расстоянии 400 м начала участка, на выходе АЦЦ появляется двоичный код числа 200, что вызывает появление сигнала на первом выходе дешифратора, который родсоединен к единичному входу первого триггера, триггер перебрасывается в единичное состояние, на его выходе появляется Н31пряжение. Это напряжение - аналог усилия, действукмего на локомотив при его движении по подъему, подается на первую массу модели, соответствующую локомотиву. При выезде локомотива на горизонтальный участок (1078 м от начала участка на выходе АЦП будет двоичный код числа 539,- в результате чего появляется сигнал на втором выходе- дешифратора , который Подсоединен к нулевому входу первого триггера. Триггер перебрасывается в нулевое состояние, напряжение на его выходе исчезает. Прекращается действие на локомотив усилия, вызванного его движением по уклону.

Аналогично подключаются и отключаются возмущения, вызванные движением по. уклону миксеров, составляющих моделируемый поезд. .

На фиг. 5 показана осциллограмма моделирования движения поезда по участку. Линии 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 отражают состояние триггеров коммутатора, линии 2, 4, 6, 8, 10, 12 изменение усилий в сечениях поезда (масштаб: в 1 мм - 12,5 кГ). Моменты времени i, -if соответствуют въез.ду локомотива и шести миксеров на подъем -tg -i((- выезду на горизонтальный участок, - началу движения каждого элемента поезда на спуске, 2г 26 выезду на завершающий горизонтальный участок пути. По изменению промежутков времени между переключениями триггеров можно судить .(с учетом разницы длин локомотива и миксеров) об изменении скорости поезда при движении по различным участкам исследуемого отрезка пути. Тяга локомотива бралась постояной Напротяжении всего времени и равна 230 кН. ;

Применение предлагаемого устройства позволит ускорить проведение ис,еледований,i повысить их качество.и, .в ряде случаев, избежать проведения сложных и требующих больших материальных затрат натурных эксперимен,тов..

ЛДшу/

/УгН

-

-

-

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ, содержашее модель исследуемой системы, о т л ич а юще ее я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет одновременного задания нескольких независимых возмущений, распространяющих ся с требуемой скоростью, оно дрпол7 нительно содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, дешифратор и коммутатор, а модель исследуемой системы , содержит две группы су1иматоров по К сумматоров в каждой irpynne, первую группу из (k -1)-го.интегратора, вторую группу из К интеграторов и выходной ин-тегратор,. причем первый вход первого сумматора первой группы соединен с выходом первого интегратора второй группы, второй вход первого сумматора первой группы и входы остальных сумматоров первой группы соединены соответственно с выходами коьФ утатора, выход i -го сумматора первой группы (i 1,И соединен с первым входом { +1)-го интегратора первой группы и вторым входом « -го интегратора первой группы, установочные входы всех интеграторов первой группы объединены и являются установочным входом устройстг ва, а второй вход первого интегратора первой группы является входом ввода исходных данный устройства ,выход первого интегратора первой группы соединен с первым входом пер-г вого интегратора второй группы, п рвым входом первого сумматора второй группы и входом выходного интегратора, выход которого является выхоD дом устройства, клход р-го интегратора первой группы (Р 2, (,;) подклю:п чен к первому входу р-го cyNwaTopa .второй группы, первому входу р-го ND fO 4 интегратора второй группы, второму входу (р-1}-го интегратора второй группы и второму входу (р-1)-го сумматора второй группы, вьтход (К+1)-го .интегратора первой группы подключен к второму входу К-го интегратора вто рой группы и второму входу К-госуь «атора второй группы, выходы интеграторов второй группы и сумматоров второй группы являются группой выходов .устройства, а выход выходного интегратора подключен к входу аналогоцифрового преобразователя.