Устройство для регулирования виброколебаний Советский патент 1984 года по МПК G05D19/02 

00 СР

сл ел

Изобретение относится к вибрационной технике и предназначено для автоматизированных систем управления установками синусоидальной и случайной вибрации. Известно устройство управления синусоидальными виброколебаниями, содержащее генератор фиксированной частоты/ усилитель с автоматической регулирювкой усиления (АРУ) смеситель, генератор переменной частоты, фильтр низкой частоты, блок качания частоты, усилитель низкой частоты, Тсатодный повторитель, измерительный вибропреобразователь, согласующий усилитель, два интегратора, делитель .напряжения, усилитель, потенциометр, ,парафазный усилитель, выпрямитель 1 Недостатком известного устройства является то, что задание требуемого уровня вибрации осуществляется смещением рабочей точки по регулировочной характеристике усилителя с АРУ с помощью потенциометра в обратной свдзи, т.е. за уменьшения динамичеркого регулирования. Наиболее близким к предлагаемому ncttivJ JJicc oivjriivi i ,i jicxj. является устройство управления вибро испытаниями, которое содержит задающий генератор, компрессор, сдвоенный потенциометр, управляемый от задатчика программы, объект управления (усилитель мощности, вибростенд вибродатчик), детектор с фильт ром низкой частоты С2 J. Недостатком такого устройства явчпяется то, что изменение коэффициент передачи аттенюатора прямой цепи происходит при поданном на объект возбуждении. Ьсли резкое изменение глубины обратной связи сглаживается фильтром с большой постоянной времени, то всякое возмущение в цепи прямой передачи подается на вход объекта, что может привести к толчкам и недопустимым перегрузкам испытуемого изделия. Предусматриваемое в задающей аппаратуре устройство безопаснос ти будет снимать сигнал возбуждения С объекта управления при каждом превышении скорости изменения уровня сигнала допустимых пределов безопасности. Кроме того, практическая peaлизация аттенюатора прямой цепи с плавной регулировкой коэффициента усиления в широком диапазоне (не менее 60 дБ) сопряжена со значительным технологическими трудностями и во многих случаях -невозмозкна. Цель изобретения - расширение динамического диапазона регулирования. Поставленная цельдостигается тем, что в устройство, содержащее задающий генератор, выходом подключенный к первому входу компрессора, последовательно соедииённые вибродат чик,- аттенюатор, детектор и первый фильтр низкой частоты, выход которог подключен к второму входу компрессора, а также усилитель мощности, выходом связанный с вибростендом, вве-( дены последовательно соединенные выпрямитель, второй фильтр низкой частоты и усилитель, а также п последовательно соединенных умножителей, причем выход компрессора подключен к входу выпрямителя и первому входу первого умножителя, выход усилителя соединен с вторыми входами умножителей, а выход последнего умножителя подключен к входу усилителя мощности. На фиг. 1 показана схема устройства управления уровнем колебательного параметра электродинамической вибрационной установки в статическом режиме; на фиг. 2 - регулировочная характеристика компрессора в децибелах; на фиг. 3 - структурная схема нелинейного корректирующего звена; на фиг. 4 - структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит компрессор 1, аттенюатор 2 прямой цепи, объект 3 управления, аттенюатор 4 обратной связи, умножитель 5, детектор 6, i ftnoii, ухчлилш л cjio r, cxcnj. u, {фильтр 7 низкой частоты, усилитель 8, задающий генератор 9, компрессор 10, умножители 11, объект 12, включающий усилитель мощности, вибростенд и вибродатчик (не показаны), аттенюатор 13, детектор 14, лервый фильтр 15 низкой частоты, вьтрямитель 16, второй фильтр 17 низкой частоты и усилитель 18. В виОрационных установках для стабилизации колебательного параметра используются устройства автоматической регулировки усиления - компрессоры, регулировочная характеристика которых с достаточной степенью точности аппроксимируется выражением (см. 3). KV (- f (1) где Ку - коэффициент передачи компрессора;и - регулирующее напряжение; UQ - значение U при единичном усилении регулирующей цепи; а - постоянная, обычно . Структурная схема устройства управления уровнем колебательного паро1метра электродинамической вибрационной установки в статическом режиме содержит К -компрессор с нелинейной регулировочной характеристикой (1) . Управления, описываквдие статический режим замкнутого контура регулирования, значительно .упрощаются при переходе к логарифмическому масштабу. Относительно начального уровня и для регулировочной характеристики компрессора в децибелах (фиг.2) получим Кту -аи(2) Учитывая, что уровегнь входного сигнала постоянный, в децибелах относительно начальных значений, определенных при единичном усилении компрессора, имеем: i5 V Y -аи +tii+L(ш) и Y +, где Z - .уровень сигнала на выход компрессора; и - уровень регулирующего на пряжения; У - уровень колебательного параметра на столе вибра тора; ,U(u)) ,р --коэффициенты передачи . аттенюатора прямой цепи/ объекта управления и аттенюатора обратной связи соответственно. Объект управления включает усилитель мощности, вибратор, испытуемое изделие и вибропреобразователь. После несложных преобразований из (4) и (5) получим у -§- Ы- + L(u,)-i--; t6) 1+а и (ot+ L{w) + fb) -|-- . (7) Принимая во внимание, что, как правило, .а 40, и используя- (6), за пишем У «.- fi I.e. уровень колебаний У определяет глубиной обратной связи, а влияние изменения коэффициентов передачи ..иСи L(u)) на уровень вибрации снижается коктрессором в (1+а) раз. Эффективный диапазон регулирования устройства определяется дисшазоном изменения коэффициента передачи о&ъ екта управления L (и) , который может быть сжат устройством без смещения рабочей точки компрессора в область насыщения, где возможны периодичесг кие режимы и потеря устойчивости регулирования. Проводим сравнительный анализ предлагаемого и известных устройств с точки зрения эффективного диапазо на регулирования. Для устройства 1 и уровень вибрации в соответствии с (8) задаётся аттенюатором обратной связи. Из выражения (5) найдем Представив это значение в формулу (7) и учитывая (2), получим Ь(ш ) - K.V + Y. . Отсюда очевидно/ что эффективный диапазон сжатия устройства зависит от уровня колебаний и будет уменьшаться с уменьшением требуемого уровня задания. Уменьшение диапазона регулирования связано с тем, что при изменении глубины обратной связи происходит смещение рабочей точки по регулиро вочнойхарактеристике компрессора. Действительно,для уровня регулирующего напряжения U,определяющего положение рабочей точки,при из выражения (7) имеем и (L(U)) +) (10) Положение рабочей точки на характеристике компрессора при ycTaHOBke требуемого уровня возбуждения будет оставаться неизменным, если в выражении (7) исключить зависимость регулирующего напряжения от. глубины обратной связи. В устройстве (2) это достигается с помощью включения .аттенюатора прямой цепи, коэффициент передачи которого изменяется по закону 0 -/3 . При этом уравне 1ия (6) и (7) принимают вид + oi(u/) (11) и L(u;) Отсюда по-прежнему уровень колебательного параметра задается с помощью аттенюатора обратной связи (11), но смещение рабочей точки по характеристике компрессора не происходит (12). Из последнего выражения с учетом формулы (2) получим L(u)) й- К,,(13) т.е. эффективный диапазон регулирования устройства определяется диапазоном регулирования компрессора. Однако в связи с тем, что при изменении коэффициента передачи аттенюатора прямой цепи не исключена ВОЗМОЖНОСТЬ появления возбз ждающе- го сигнала, задание уровня коле- баний с помощью сдвоенного потенциометра в практике виброиспытаний не используется. (В предлагаемом устройстве для расширения диапазона регулирования вместо аттенюатора в прямой цепи используют нелинейное корректирующее звено с коэффициентом передачи ot -j (Z), (14) где у - коэффициент пропорциональности;2 - постоянное напряжение, пропорциональное уровню сигнала на выходе компрессора;п - целое. Техническая реализация функцйональмой зависимости (14) может быть представлена в виде последовательно соединенных умножителей, детектора, .фильтра низкой частоты и усилителя. Детектор,фильтр и усилитель обра эуйт измерйхельную цепь. Умножитель имеет значительно более низкий уровень шумов по сравнен с компрессором/ который при малом коэффициенте передачи превращается в источник высокрчастотногЬ шума. Это обстоятельство позволяет получить на выходе умножителя изменение сигнала в большем, чем у компрессора, диапазоне. у -В дец{1бв л ах, от нос ите ль но уров ня с|1гнала при единичном усилении компрессора, выражение (14) примет вид ot п Z или, учитывая формулу (3), запишем d - anU(15) Подставив полученное выражение в формулу (7), найдем и ) Для уровня колебательного параметра Y можно записать Y Z + об + L(a ) или, принимая ао внимание (2) и (15 у -а(п-И)и + L(u) (1 Совместное решение (16) и (17) дает тШт)(й:5ТШТ , Y« - /3(18) т.е. уровень колебаний обратно /Нропорционален коэффициенту передач аттенюатора обратной ,, Сравнив ая дь ражения (16) и (10) , получим, что,в предлагаемом устройстве смеще ние рабочей точки по регулирово ной характеристике компрессора при уста нрвке требуемого уровня вибрации пу тем изменения глубины обратной связи в (п+1) раз меньше, чем в извест ном, Эффективный, диапазон регулирования устройства найдем из выражения (16), подставив в него зависимости (2) и (18), L(te) X (-Ку+У)-пКу (19 так как на практике , то L(iOH-rvKv. Из формул (9), (13)и (19) следует, что эффективный диапазон регу лирования устройства превышает диапазоны регулирования известных уст- ройств не менее чем в п раз. Устройство работает следующим образом. Сигнал возбуждения, формируемый задающим генератором 9, через компрессор 10 и нелинейное корректирующее звено, включающее последовательно соединенные умножители 11 и измерительную цепь, составленную из выпрямителя 16, фильтра 17 низкой частоты и усилителя 18, подается на объект 12 управления, возбуждая в нем механические колебания. Установка и стабилизация уровня колебательного параметра на выходе объекта осуществляется автома :ической регулировкой коэффициента усиле ния компрессора 10 по Цепи обратной связи, в которой сигнал, снимаемлй с выходе объекта 12, выпрямляется детектором 14, сглаживается фильтром 15 и подается.на-управляющий вход компрессора 10. Глубина обратной связи определяется аттенюатором 13. Регулируется его коэффициент передачи, устанавливают требуемое вибрационное состояние объекта. Всякое изменение заданного колебательного параметра объекта вызывает пропорциональное изменение управляющего напряжения на входе компрессора и смещение его рабочей точки, а следовательно, коэффициента передачи и уровня выходного сигнала, который через нелинейное корректирующее звено воз.вращает объект в его прежнее состояние. Коэф.фициент передачи корректирующего звена нелинейно зависит от амплитуды его входного сигнала. Зависимость имеет вид степенной функции и реализуется последовательным соединением умножителей 11, число которых определяется показателем степени. В умножителях 11 сигнал возбуждения умножается на постоянное напряжение, пропорциональное его амплитуде. Выделение амплитудногозначения сигна-. ла на выходе компрессора осуществляется измерительной цепью. Изменение управляющего напряжения компрессора, обусловленное неравномерностью частотной характеристики объекта либо изменением глубины обратной связи, приводит к смещению его рабочей точки по регулировочной характеристики. Это смещение фиксируется в измерительной цепи нелинейного корректирующего звена и вызывает изменение его коэффициента передачи в ту же сторону/ что и компрессора. При этом происходит перераспределение общего изменения коэффициента передачи прямой цепи, необходганого для компенсации отклонения уровня, колебайий объекта, между комВрессором и нелинейным корректирующим звеном. За счет этшо сме(яену;е рабочей точки компрессора по регулировочной характеристике уменьшается. Смещение будет тем меньше, чем большее число умножителей 11 установлено в нелинейном корректирующем звене, т.е. величина смещения при определенном изменении уровня вибрации будет обратно пропорциональна показателю степенной функции, реализуемой корректирующим звеном, что равнозначно увеличению во столько же раз динамического диапазона регулирования.

Преимуществом предлагаемого устройотва является то, что измененне коэффициента передачи прчмои цепи происходит плавно, со скоростью, определяемой постоянной времени фильтров низкой частоты, соответствующий выбор параметров которых исключает возникновение толчков и перегрузок испытуемых изделий.

Таким образом, предлагаемое устройстве позволяет по сравнению с известными существенно расширить динамический диапазон регулирования, 1ЯВЛЯЮЩИЙСЯ одним из основных параметров устройств управления виброиспытаниями, определяющих .их качество и функциональные возможности .

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ШБРОКОЛЁБАНИЙ, содержащее Задающий генератор, выходом подключенный к первому входу компрессора, послвдовательнр соединенные вибродатчик, аттенюатор, детектор и первый фапьтр низкой частоты, выход которого подключен к второму входу компрессора, а также усилитель мЬщности, выходом связанный с вибростендом о т л и ч а ю Щ е е с я тем, что, с пелью расширения динамического диапазона регулирования, оно содержит последовательно соединенные выпрямитель, второй фильтр низкой частоты и усилитель/ а также rt последовательно сое; инекнЁгх умножителей, причем выход компрессора подключен к входу выпрямителя и первому входу первого умножителя, выход усилителя сое(Л динен Cf вторш4и входами умножителей, а выхещ последнего умножителя подС ключен к зходу усилителя мощности.

15 О 1,5 fput.2