Устройство для управления сейсмическим вибратором Советский патент 1984 года по МПК G05D19/02 

эо

4

1

а:

д

Изобретение относится к сейсморазведочной техник:е, а именно к вибрационной сейсморазведке, и может быть использовано в источниках сейсмических сигналов, преимущественно s электрогидравлического действия, при сейсмических исследованиях.

Известна система управления вибратором, содержащая последовательно соединенные генератор, фазосдвига- 10 тель, вибратор, фильтр, интегратор, усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), схему предустановки АРУ, перемножитель-компаратор (фазовый детектор) и усилитель-интег- 15 ратор. Второй йхоД фазового детектора соединен через фильтр с выходом генератора. Усилитель-интегратор управляет фазовым корректором. Система управления содержит также подключен- 20 ные последовательно к генератору детектор, компаратор и одновибратор, Одновибратор используется в системе для управления схемами выборки и запоминания, которые измеряют в начале 25 развертки и сохраняют до окончания развертки напряжение; действующее на входе в течение короткого промежутка времени. Напряже«ие схем выборки запоминания используется для ЗО предварительной установки системы управления вибратором перед каждым последующим сигналом (разверткой). В частности, напряжение схем выборки и запоминания используется для установки усиления усилителя с АРУ и для подачи напряжения на вход фазового корректора в начале развертки. Описанная предварительная установка в системе управления способст- о вует првьппению быстродействия Cl

Однако данная система управления имеет недос.татки, обусловленные сложностью конструкции и низкой точностью схем выборки и запоминания. Аналоговая схема выборки и запоминания, как правило, содержит входной переключатель, который коммутирует входное напряжение. При замыкании вх)дного переключателя напряжение с входа 50 передается на конденсатор, который должен хранить (запомнить) это напряжение длительное время, т.е. до следующего запуска системы управления. Для того, чтобы напряжение на 55 конденсаторе не изменилось во время хранения, коммутационные цепи, подключенные к конденсатору, должны

иметь очень большие сопротивления. Такими качествами обладают контакты реле, однако последние имеют очень низкое быстродействие и надежнойЯь. Электронные переключатели на транзисторах обладают высоким быстродействием, но в выключенном состоянии они имеют конечные сопротивления,. что снижает точность работы системы управления.

Цифровые схемы выборки и запоминания полностью устраняют падение напряжения из-за разряда.конденсатора . Однако это удается сделать за счет усложнения схемы. Основой цифровых схем выборки и запоминания, как правило, является цифроаналоговый преобразователь. Б цифровой схем выборки и запоминания входное напряжение, из которого делается выборка, подается на вход компаратора, на второй вход которого подается пилообразное напряжение с цифроаналогового преобразователя. Цифроаналоговый . преобразователь подключается к выходам счетчика, а счетчик заполняется импульсами гЬнератора тактовых импульсов по команде Выборка. До тех пор, пока не станут равными напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя и входное напряжение, компаратор через логические цеп пропускает импульсы на вход счетчика

эти напряжения станут, равными, компаратор вьщает сигнал на запре прохождения импульсов на вход счетчи

Как.видно, цифроваясхема выборки и запоминания содержит много различных узлов: Цифроаналоговый преобразователь. Компараторi генератор тактовых импульсов, логические элементы, счетчик, которые в совокупности создают достаточно сложную конструкцию со сложным алгоритмом работы.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является система управления, которая содержит последовательно соединенные схему запуска, функциональный генератор, фазовый корректор. Счетчик, постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, сейсмический вибратор, схему обработки выходного сигнала вибратора, состоящую из последовательно соединенных двух периодических (инерционных) звеньев ,и фильтра с АРУ, фазовый детектор. второй вход которого соединен с выходом опорного сигнала функционального генератора, а выход - с вторым входом фазового корректора. Схема запуска вырабатывает импульс и запускает функциональный генератор. Функциональный генератор формирует два сигнала. Сигнал, поступающи на вход фазового корректора, предста ляет собой последовательность импуль сов, частота которых изменяется по линейному закону. Опорный сигнал, по ступающий на вход фазового детектора представляет собой гармонические колебания также с линейным законом изменения частоты. Импульсная последовательность, про ходя через фазовый корректор, поступает на вход счетчика, где преобразуется в код. Этот код, поступая на адресные входы постоянного запомина- 1юшего устройства, считывает из последнего информацию, представляющую, собой значения синусоидального сигна ла в цифровом коде. В цифроаналоговом преобразователе код с выходов запоминающего устройства преобразуется в аналоговый синусоидальный сигнал, который поступает на вход сейсмического вибратора. В сейсмическом вибраторе аналоговый электрический сигнал преобразуется в механические колебания, которые передаются в грунт. С помощью датчика ускорения в сейсмическом вибраторе формируется выходной сигнал, поступающий в схему отработки выходного сигнала вибратора, где отфильтровывается от шумов и помех и усиливается по ампли„туде. Затем этот сигнал поступает на вход фазового детектора, где срав нивается по фазе с опорным сигналом. В случае, когда выходной сигнал вибратора отстает по фазе от опорного сигнала, фазовый детектор вырабатывает сигнал ошибки, который увеличивает частоту следования импульсов, поступающую с выхода фазового корректора. Тем самым фаза выходного сигнала корректируется (сдвигается) так, что сигнал ошибки на выходе фазового детектора становится равным нулю. Если выходной сигнал вибратора опережает по фазе опорный сигнал, на выходе фазового детектора вырабаты вается такой сигнал, что частота следования импульсов, поступающих с выхода фазового корректора, уменьшает ся Г23. . Недостатком известной системы управления является большое время переходного процесса при запуске - системы, что объясн1яется фазовыми сдвигами между выхо;5ным сигналом сейсмического вибратора и опорным сигналом при запуске системы. Этот переходньй процесс в общем случае различен для разных вибраторов, вследствие чего некоторое время после запуска группы вибрационных ИСТОЧНИКОВ до окончания переходных процессов вибраторы работают несинхронно, при этом не только изменяется энергия, излучаемая группой несинхронных источников, но и искажается форма излучаемого сигнала, т.е. ухудшаются его корреляционные свойства. Переходньй процесс, происходящий в системах управления сейсмическими вибраторами при ее запуске, имеет большую продолжительность (длительность переходного процесса часто измеряется в числе периодов опорной развертки). Длительность переходного процесса зависит от начального сдвига фаз между опорным сигналом и выходным сигналом сейсмического вибратора. Она максимальна, когда сдвиг фаз между этими сигналами равен 180 . Кроме того, длительность переходного процесса зависит от рабочей частоты сейсмического вибратора. Поскольку управляющий сигнал имеет плавньй подъем амплитуды (например, по экспоненциальному закону) при пуске системы управления, необходимый для получения функции взаимной корреляции с минимальными помехами, то время переходного процесса не может быть меньше времени плавного подъема амплитуды, обычно это время равно 0,5 с. Длительность переходного процесса при различных частотах может быть вычислена с помощью известных методов, если известно математическое описание звеньев системы управления, или определена экспериментально. Целью изобретения является повыение быстродействия устройства. Указанная цель достигается тем, то устройство, содержащее последоваельно соединенные блок запуска, ункциональный генератор, регулятор азы, счетчик, блок памяти и цифроаналоговый преобр азователь, связанный выходом с вибратором, а также последовательно соединенные блок обработки выходного сигнала вибратора и фазовый детектор, второй вход которого подключен к второму выходу функционального генератора, а.выход к второму входу регулятора фазы, содержит последовательно соединенные блок задержки, синхронизатор и регистр памяти, вторые входы которого подключены к Соответствующим выходам счетчика, а выходы - к соответст вующим вторьм входам счетчика, третий вход которого связан с выходом блока запуска и с входом блока задержки, а второй вход синхронизатора соединен с вторым выходом функционального генератора. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для управления сейсмическим вибратором} на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, отражающие процессы в устройстве соответственно после первого и после второго запуска устройства. Устройство содерясит последовател но соединенные блок 1 запуска, функциональный генератор2, регулятор 3 фазы, счетчик 4, блок 5 памяти, цифроаналоговый преобразователь 6, вибратор 7, блок 8 обработки выходного сигнала вибратора, фазовьш детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом функционального генератора 2, а выход с вторым входом регулятора 3 фазы. Выход блока 1 запуска соединен с последовательно соединенными блоком 10 задержки и синхронизатором 11, второй вход которого соединен с вторым выходом функционального генератора-2, на котором формируется опорный сигнал. Устройство содер ядат регистр 12 памяти, вход управле ния записью которого соединен с выходом синхронизатора 11, входы параллельной записи регистра - с выходами счетчика 4, выходы с входами разрядов счетчика 4, установоч ный вход которого соединен с выходо блока 1 запуска. В устройстве для управления сейсмическим вибратором.электромеханическим преобразователем энергии является вибратор 7 электрогидравлического типа, содержащийпоследовательно соединенные усилитель 13, се возолотник 14 с его датчиком 15 перемещения и инертную массу 16 с датчиком 17 ее перемещения. Первые два входа усилителя 13 используются ля организации местных отрицательных обратных связей, они соединены с выходами датчиков 15 и 17. Третий вход усилителя 13 служит для подачи управляющего сигнала. Инертная масса (Нагружена «а опорную плиту 18, на которой установлен датчик 19 ускорения, сигнал которого являе„тся выходным сигналом вибратора 7 в данном устройстве. Блок 8 обработки выходного сигнала вибратора может быть выполнен анало- гичным системе Г13 управления вибратором, где он включает в себя соединенные последовательно фильтр, интегратор, усилитель с АРУ и схему предустановки АРУ, либо аналогичным системе управления 2J, где он назван схемой обработки выходного сигнала вибратора. Устройство для управления сейсмическим вибратором работает следующим образом. Блок 1 запуска осуществляет запуск устройства, вырабатывая на своем выходе импульс. В случае передачи сигнала синхронизации с регистрирующей аппаратуры на сейсмический виб-. ратор по радиоканалу блок 1 запуска принимает и декодирует этот сигнал синхронизации. Импульс на выходе блока 1 запуска может быть также сформирован оператором сейсмической установки с помощью кнопки дистанционного запуска, входящей в состав блока 1 запуска. Импульс запуска поступает на вход, функционального генератора 2, который на одном из своих выходов формирует, последовательность импульсов, поступающую на вход регулятора 3 фазы. На втором выходе функционального генератора 2 формируется, периодический, как правило, гармонический сигнал, поступающий в качестве опорного сигнала на один из выходов фазового детектора 9. Импульсная последовательность, проходя через регулятор 3 фазы, поступает на вход счетчика 4, выходной код которого, подается на адресные входы блока.5 памяти. В ячейках блока 5 памяти содержится цифровой код, представляющий вре1 енные значения

синусоидального сигнала. Цифровой код с выходов блока 5 памяти преобразуется в аналоговый сигнал в цифроаналоговом преобразователе 6. Сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя 6 является управляющим сигналом вибратора 7. Частота управляющего сигнала пропорциональна частоте входных импульсов счетчика 4, . обеспечивающего считывание информации из блока 5 памяти, и определяетс требуемой точностью (дискретностью) формирования синусоидального сигнала

Управляющий синусоидальный сигнал поступает на управляющий вход вибратора 7 электрогидравлического типа, где усиливается по мощности усилителем 13, сервозолотником 14 и с помощью инертной массы 16 и опорной плиты 18 преобразуется в сейсмические колебания грунта. Датчики 15 и 17 перемещения предназначены для поддержания требуемого режима работь; вибратора 7. На опорной плите 18 вибратора 7 установлен датчик 19 ускорения, на выходе которого.под действием возбуждаемого сигнала (колебаний плиты) появляется электрический сигнал. Сигнал датчика 19 ускорения подается на вход схемы 8 отработки выходного сигнала вибратора 7...

Выходной сигнал вибратора 7, вырабатываемый датчиком 19 ускорения, имеет большой уровень помех и нелинейных искажений, что обусловлено резонансани механической системы вибратора и системы вибратор - грунт, а также вибрацией от работающего двигателя насосной установки. Блок 8 обработки выходного сигнала, интегрирует и усиливает выходной сигнал вибратора 7. Напряжение по форме близкое к синусоидальному, а по фазе не отличающееся от сигнала датчика 19 ускорения, с выхода блока 8 обработки выходного сигнала подается на вход фазового детектора 9, В фазовом детекторе 9 это напряжение сравнивается с напряжением опорного сигналв функционального генератора 2, поступающим с второго выхода генератора по фазе.

Когда фаза сигнала с выхода блока. 8 обработки выходного сигнала вибратора отстает от фазы, опорного сигнала, фазовый детектор 9 вырабатывает сигнал ошибки отставания. При этом

в регуляторе 3 фазы происходит суммирование импульсов с первого выхода функционального генератора 2 с импулсами дополнительной импульсной последовательности, число которых пропорционально ошибке.

Дополнительная импульсная последовательность может быть получена в регуляторе 3 фазы из импульсной последовательности, которую вырабатьшает на своем первом выходе функциональный генератор 2, например, путем ее задержки. Полученная таким образом суммарная последовательность импульсов, после преобразования в аналоговый управляющий сигнал, приводит к ускорению колебательного процесса в. вибраторе 7.

Когда фаза сигнала с выхода блока 8 обработки выходного сигнала вибратора опережает опорный сигналуГ Фазовый детектор 9 вырабатывает сигнал ошибки опережения, и в этом случае в регуляторе 3 фазы происходит вычитание (запрещение) из импульсной последовательности функционального генератора 2 импульсов, число которых пропорционально фазовой ощибке. В результате колебательный процесс в вибраторе 7 замедлится и сдвиг фаз сокращается.

В этом случае, когда фазы опорного сигнала функционального генератора 2 и сигнала с выхода блока 8 обработки выходного сигнала совпадают, импульсная последовательность с первого выхода функционального генератора 2 проходит через регулятор 3 фазы без изменений. При этом фаза сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя 6, т.е. управляющего сигнала вибратора 7, отлична от фазы опорного сигнала и сигнала блока 8 отработки выходного сигнала. Величина фазового сдвига управляющего сигнала относительно опорного сигнала всегда такая, чтобы скомпенсировать фазовые сдвиги, возникающие в механических, гидравлических звеньях вибратора 7, а также фазовые сдвиги, возникающие в результате взаимодействия опорной плиты 18с грунтом. На вход блока 10 задержки поступает импульс запуска с выхода блока 1 запуска. Блок 10 задержки вырабатьшает импульс, который задержан относительно импульса запуска на время, равное времени переходного процесса. Синхронизатор ,11, на один вход которого подается импульс, задержанный относительно импульса запуска, а на другой опорный сигнал функционального генератора 2, вырабатьшает на своем выходе импульс. Этот импульс совпадает с. перви фронтом опорного сигнала, если последний прямоугольнь1й, или с первым переходом через нуль опорного сигнала функционального генератора 2, если опор ный сигнал имеет гармонической функции, пришедшими после импуль са с выхода блока 10 задержки. Таким образом, на выходе синхронизатора 1 вырабатывается импульс, совпадающий с фронтом опорного сигнала и задержанный относительно момента запуска системы управления на время переходного процесса плюс максимум один период опорной развертки. Импульс с выхода синхронизатора 11 осуществляет перезапись параллель ного кода, который в данный момент времени находится в счетчике 4, в регистр 12 памяти. Этот код определя ет фазу управляющего сигнала. Импульсом запуска с выхода блока 1 запуска в следующей развертке сигнала параллельный код из регистра 1 памяти переписывается в счетчик 4. Тем самым управляющий сигнал при запуске устройства имеет такую фазу, при которой опорный сигнал функционального генератора 2 находится. в фазе с сигналом с выхода блока 8 обработки выходного сигнала. По сра нению с известной системой управления предлагаемое устройство имеет значительный переходной процесс только во время первого запуска системы управления. Все последунедие запуски будут происходить практически без переход ного процесса. Предложенное устройство повышает быстродействие управления. На фиг. 2 приведена временная диаграмма, отражающая процессы в устройстве после первого запуска, т.е когда имеет место переходный процесс и,, Uj, и, и,д, Ug, Ug, U, U.-. соответственно напряжения на вг-тходах блоков 1, 3, 6, 19, 8-11, а U2 и 22 соответственно напряжения на первоми втором (выход опорного сигнала) выходах функционального генератора 2 На фиг. 3 приведена временна, диаграмма: этих же напряжений, отражающая процессы в устройстве после второго (или любого последующего) запуска, т.е. когда переходный процесс практически отсутствует. В момент времени после первого запуска ( фиг. 2) на выходе синхронизатора 11 формируется импульс (его формирование описано выше ). Этим импульсом значение кода из счетчика 4 переписывается в регистр {,2 памяти. Этот код соответствует значению фазы напряжения на выходе цифроаналогово|го преобразователя 6, После второго запуска импульс U, сформированный на выходе блока 1 запуска (фиг. 3), переписывает код из регистра 12 памяти в счетчик 4. При зтом фаза напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 6 соответствует той начальной фазе, при которой переходный процесс по фазе в устройстве отсутствует. Практическая реализация предложенного устройства не вызывает трудностей. В качестве функционального генератора 2 может быть использовано любое известное устройство, способное формировать импульсный и гармонический сигнал по заданной программе, например, с линейным законом изменения частоты. Это могут быть известные генераторы гармонического сигнала. Выход любого из зтих устройств можно использовать для излучения опорного сигнала, а импульсную последовательность, поступающую на вход преобразователя импульсной последовательности в гармонический сигнал можно использовать в качестве первого выхода функционального генератора 2. В качестве фазового детектора 9 может быть использован перемножитель аналоговых сигналов с последующим преобразованием постоянной составляющей произведения в широтно-импульсный сигнал, Регулятор 3 фазы может быть реализован на логических элементах, с помощью которых под действием широтноимпульсного сигнала можно изменять частоту импульсной последовательности. Задержанную импульсную последовательность можно получить путем дифференцирования зад)него фронта импульсов из импульсной последовательности функционального генератора 2 в регуляторе 3 фазы. В качестве регулятора 3 фазы и фазового детектора 9 можно использовать известный цифровой регулятор фазы.

Блок 10 задержки может быть реализован с помощью одновибратора, который после запуска системы управления вырабатывает импульс, равный по длительности времени переходного процесса..

Как правило, реальные начальные частоты разверток, с помощью которых производят сейсмические исследования, лежат в пределах 8-15 Гц, и время переходного процесса будет изменяться

незначительно. В качестве блока 10 , задержки можно использовать также счетчик, который после прихода импульса запуска считает импульсы генератора, находящегося в этом устройстве, Импульс переполнения счетчика определяет время задержки.

В качестве синхронизатора 11 можно использовать любое известное ycт ройство, способное вьщелять первый, пришедший после команды, импульс. ,

Предлагаемое устройство для управления сейсмическим вибратором более удобно в эксплуатации, так kaK в нем установка начальной фазы производится автоматически.

Фиг J

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СЕЙСШЧЕСКИМ ВИБРАТОРОМ, содержащее последовательно соединенные блок запуска, функциональный генератор, регулятор фазы, счетчик, блок памяти и цифроаналоговый преобразовате ць, связанный выходом с вибратором, а , также последовафельно соединенные блок обработки выходного сигнала вибратора и фазовый детектор, второй вход которого подключен к второму выходу функционального генератора; а вьпсод - к второму входу регулятора фазы, о т л и а ю щ е е с я тем, что, с целью повьшения быстродействия устройства, оно содержит последовательно соединенные блок задержки, синхронизатор и регистр памяти, вторые входы которого подключены к соответствуннцим выходам счетчика, а вы- ходы - к соответствующим вторым входам счетчика, третий вход которого связан с выходом блока запуска и с входом блока задержки, а второй вход синхронизатора соединён с вторым выходом функцйон альнЬго генератора.