Система формирования спектра широкополосных случайных вибраций Советский патент 1985 года по МПК G05D19/02 G01M7/00 

1 Изобретение относится к управлению вибрациями, а именно к системам формирования спектра широкопопосньк случайных вибраций, и может быть использовано при проведении вибрационных испытаний изделий. Известна система формирования спектра широкополосных случайных вибраций содержащая генератор шума соединенный с сумматором, и вибровозбудитель с виброизмерительным преобразователем, соединенным с набором полосовых фильтров. Выходы полосовых фильтров через измерители дисперсии связаны с блоками сравнения сигналы с блоком сравнения управляю коэффициентами передачи аттенюаторов на выходы которых поступают сигналы с полосовых фильтров. БЬКОДЫ аттенюа торов соединены с общим сумматором, что обеспечивает регулировку величи ны обратной связи 1J. Недостатком этой системы является то, что значительная глубина обратной связи, -необходимая для обеспечения динамического диапазона, порождает жесткие требования к стабильности элементов цепи положитель ной обратной связи для исключения возможности самовозбуадения. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является система формирования спекура случайных вибраций, содержащая вибровозбудитель, параллельные каналы формирования каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соеди ненными г енератором белого шума, двухвходовым сумматором, полосовым. фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последовательно соединен- ные виброизмерительный преобразователь и регулируемьп аттенюатор, выход которого с, подключен к второму вхо ду двухвходового cyiiMHTOpa, блок сравнения, один из входов которого подключен к задатчику программы, а выход - к управляющим входам регулируемьйс усилителя и аттенюатора, и измеритель дисперсии, вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, а также обп(ий для всех каналов сутшатор, с выходом -которого соединенвыбровозбудитель Г2 Недостаток этой системы связан с тем, что в каждом канале .вання на выходе регулируемого усили27теля; осуществляется измерение дисперсии сигнала, состоящего из- двух компонент: сигнала обратной связи с выхода -j-ro регулируемого аттенюатора в i-и полосе частот и сигнала генератора шума в зтой же полосе частот. При этом полезным сигналом, несущим информацию об уровне вибраций в контролируемой точке изделия в i-й полосе частот, является сигнал обратной связи с выхода i-го регулируемого аттенюатора, по результату измерения дисперсии которого необходимо осуществлять регулировку коэффициента усиления i-ro регулируемого усилителя . Управление же коэффициентом усиления регулируемого yci-шителя в известном устройстве по результату измерения суммарной дисперсии двзХ сигналов существенно снижает точность формирования. Кроме того, при необходимости формирования большого динамического диапазона уровня вибрации и при изменении динамической характеристики тракта вибровоэбудитель изделие в процессе испытания возможно самовозбуждение отдельных каналов формирования, за счет приближения к единице значения козф(1)ициента пололштельной обратной связи, что снижает надежность системы. Целью изобртетения является повышение точности формирования заданного спектра вибрации и надежности системы. Эта цель достигается тем, что в системе формирования спектра широкополосных случайных вибраций, содержащей внбровозбудитель, параллельные каналы формирования, каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белого шума, двухвходовым сумматором, полосовьа-1 фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последова - тельно соединенные виброизмерительный преобразователь и регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к второму входу двухвходового сумматора и блок сравнения, один из выходов которого подключен к задатчику nporpaMi-ui, а выход - тс управляющим входам регулируемых усилителя и аттенюатора и измерительдисперсии, вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, а также общий для всех каналов сумматор, с выходо которого соединен вибровозбудитель, в каждый из каналов формирования вв дены последовательно соединенные вт рой измеритель дисперсии, подключен ный к выходу генератора белого шума, умножитель, управляемый умножитель, первое вычитающее устройство и последовательно соединенные пе вый делитель, второй делитель,вто.рое вычитающее устройство, второй блок сравнения и управляемый ключ, а также источник опорного сигнала, выход умножителя соединен с первым ( входом первого делителя, второй вхо которого соединен с выходом первого измерителя дисперсии, соединенным также с вторым входом первого вычитающего устройства,., выход которого соединен с вторым входом перво го блока сравнения, регулируемый усилитель имеет дополнительный выхо соединенньвй с управляюп м входом управляемого умножителя и втооым входом BTODoro пелителя. втовой вхо второго вычитающего устройства, соединен с первым выходом источника опорного сигнала, второй выход кото рого соединен с вторым входом второ го блока сравнения, второй вход управляемого ключа соединен с выходом регулируемого усилителя, а выход управляемого ключа - с входом о щего сумматора. Введение упомянутых элементов позволяет учесть при измерении спек ра неуправляемую составляющую, вносимую генератором белого шума, и исключить самовозбуждение системы за счет контроля коэффициента положительной обратной связи в каждом канапе формирования и отключения канала при превышении коэффициентом допустимого значения. На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы; на фиг.2 спектрограммы, поясняющие работу системь:, где G - спектр сигнала на выходе генератора белого шума, амйлитуднр-частотная характеристика (АЧХ) i-ro полосового фильтра; Gfl - спектр сигнала на входе регулируемого аттенюатора; G - спектр сигнала на выходе i-ro двухвходово го сумматора; спектр сигнала на выходе i-го полосового фильтра; спектр сигнала на выходе -го регулируемого усилителя. В каждом канале формирования генератор 1 белого шума, служащий источником широкополосных сигналов, соединен через двухвходовый сумматор 2 с полосовым фильтром 3, выход которого связан с соответствующим регулируемым усилителем 4. Общий сумматор 5 служит для суммирования сигналов регулируемых усилителей 4, а выход его связан с входом вибррвозбудителя 6. Виброизмерительный преобразователь 7, установленный на столе вибровозбудителя 6, через регулируемьп аттенюатор 8 соединен с вторым входом двухвходового сумматора 2 каждого канала. Выход регулируемого усилителя 4 соединен с первым измерителем 9 дисперсии, а управляющие входы регулируемых усилителя 4 и аттенюатора 8 соединены с выходом первого блока 10 сравнения, один из входов которого подключен к задатчику программы (на блок схеме обозна чен стрелкой с индексом Upp). К генератору 1 белого шума подключена цепь из последовательно соединенных второго измерителя П дисп ерсии, умножителя 12, управляющего умножителя 13 и первого вычмтывающего устройства 14,второй вход которого соединен с выходом первого измерителя 9 дисперсии, а выход - с вторым входом первого блока 10 сравнения. К выходу умно жителя подключена цепь из последовательно соединенных первого делителя 15,второй вход которого соед1 нен с выходом первого измерителя 9.дисперсии, второго делителя 16, второй вход которого соединен с дополнительным выходом регулируемого усилителя 4, с.оединенного также с управляющим входом управляемого умножителя 13, второго вычитающего устройства 17, второго элемента 18 сравнения и управляемого ключа 19, второй вход которого соединен с выходом регулируемого усилителя 4, а выход - с соответствующим входом.общего сумматора 5. Вторые входы второго вычитающего устройства 17 и второго блока 18 сравнения соединены, соответственно с первым и вторым входами источника 20 опорного сигнала. Система работает следующим образом. Сигналы с выходов генераторов I белого шума через двухвходовые сумматоры 2 и полосовые фильтры 3 по- ступает на выход регулируемых усилителей 4, где масштабируются и через управляемые ключи 19 суммируются на общем сумматоре 5. Сигналы с выхода этого сумматора поступают на вход вибровозбудителя 6, механические колебания которого преобразутося виброизмерительным преобразователем 7 в электрические сигналы, которые поступают через регулируемые аттенюаторы 8 на входы двухвходоввк сумматоров 2,, тем самым замыкая цепь положительной обратной связи. Таким образом, в прямую цепь зашснутой канальной системы входят генератор 1 белого шума, двухвходовый сумматор 2 полосовый фильтр 3 и регулируемый ,усипитель 4. Все остальные элементы образуют цепь обратной связи. Для обеспечения необходимого запаса устойчивости замкнутой системы козффициент передачи цепи обратной связи выбирается намного меньше единицы. Для этого коэффициент передачи Kg ре гулируемого аттенюатора 8 должен быт равен где К -коэффициент передачи регулрру мого усилителя 4; С - коэффициент неравномерности спектра формируемого сигнал причем С I . При этом коэффициент передачи каж дого полосового фильтра 3 с замкнуто обратной связью при коэффициенте передачи полосового фильтра 3, равном единице, определяется коэффициентом передачи К, За счет этого первые из мерители 9 дисперсии измеряют величи ну мощности сигнала в полосе пропускания фильтров 3. Далее этот сигнал поступает на первое вычитающее устройство 14. Измеренная измерителями дисперсии мощность включаетв себя и мощность сигнала генератора 1 белого шума в полосе фильтров 3, Вторы измерители 1I дисперсии измеряют мощ ность сигнала генераторов 1 белого шума во всем их частотном диапазоне. Сигнал с выхода вторых измерител 11 дисперсии поступает через умножит ли 12 на вход управляемых умножителей 13. Чтобы мощность сигнала на выходе управляемых умножителей 13 была равна мощности сигнала, который Ъроходит и казкдый канал формирования от генераторов 1 белого , коэффициент умножения К Умножителей 12 должен быть равен К где f - полоса пропускания фильтров 3: F - частотный диапазон генераторов, . 1 белого шума, а коэффициент умножения К управляемых умножителей 13 должен быть равен. К К, где К - коэффициент передачи регулируемых усилителей 4. Сигнал с выхода управляемьк умножителей 13 поступает на вход первых вычитающих устройств .14, где, он вычитается из сигнала с измерителей 9 дисперсии. Далее сигналы с выхода первых вычитающих устройств 14 сравниваются с напряжениями программы р первых блоках 10 сравнения. Сигналами, напряжения которых пропорциональны величине рассогласования между измеренным и заданным сигналами, осуществляется необходимое управление коэффициентами передачи регулируемых .усилителей 4 и регулируемых аттенюаторов 8. Более полное представление о работе устройства можно получить пользуясь спектрограммами, приведенными на фиг.2. На выходе ;-го измерителя 9 дисперсии получается сигнал в виде постоянного напряжения U., величина которого пропорциональна дисперсии D,- сигнала на выходе i-ro регулируемого усилителя 4 и равна J.. 6j(f)c( p6(f),..GJf)jdi, где К - коэффициент усиления i-го регулируемого усилителя К - коэффициент усиления 1-го h регулируемого аттенюатора 8; .- полоса частот пропускания i-ro полосового фильтра. На выходе 1-го второго измерителя j1 дисперсии также будет сигнал в виде постоянного напряжения Ц,, величина которого пропорциональна : дисперсии D., Сигнала на вьгходе i-ro генератора 1 белого шума 6„()с. Ш Учитьшая,что i-й умножитель 12 имеет коэффициент усиления К /5 fn ;/4l ,на выходе i-ro умножите ЛЯ 12 имеем ,, GoCfi f см Коэффициент усиления i-ro управляемого умножителя 13 равен коэффици енту усиления i-ro регулируемого уси лителя 4, поэтому на выходе i-ro управляемого умножителя 13 имеем (A,,(f), .. 4F 14 где Кру -: коэффициент усиления i-ro регулируемого умножителя. Сигнал Ujj. является входным для i-ro вычитающего устройства 14, на другой вход которого подается сигнал Ug , На выходе вычитающего устройства 14 имеем сигнал в виде (.(, и /лр) GjfH c,,U)cJfl С,Л)с)-К -к к Ci,(f)df так как Кр, Кр,,.. Откуда видно, что сигнал на выходе вычитающего устройства 14 про порционален только спектру Gg(f) сигнала обратной связи на выходе ви родатчика 7, (с целью получения более простых выражений принята прямо угольная АЧХ полосового фильтра ). Рассмотрим отдельно работу схем исключающей самовозбуждение канала формирования в виду ее относительно автономности. В процессе проведения виброиспытания динамические характеристики испытуемого изделия (амплитудночастотные и фазо-частотиые могут претерпевать значительные изменения, например, из-за механических изменений конструкции отдельных.узлов изделия, их жесткости, ослабления крепления и т.д. Вследствие этого, изза сильного обратного влияния испытуемого изделия на вибровозбудитель, происходят значительные изменения динамических характеристик последнего. При этом значительное возрастание сигнала положительной обратной связи в одном или нескольких каналах формирования может привести к самовозбуждению. В связи с этим необходимо осуществлять контроль за величиной коэффициента положительной обратной связи в каждом канале формирования. Как известно, величина положительной обратной связи определяется значением /зК, где /э - коэффициент усиления цепи обратной связи; К -г коэффициент усиления прямой цепи. Величина К определяется, коэффициентом ус иления регулируемых усилителей 4, а величина /э определяется модулями коэффициентов передачи элементов обратной связи, куда входят: вибровозбудитель 6, виброизмерительный преобразователь 7, регулируемый аттенюатор 8. Коэффициент К р. усиления одного формирующего канала при положительной обратной связи оп15еделяет- ся выражением KOC К/(1- /зК). Преобразуем это выражение следующим образом 1-К/Кв(. /)К (6 ) Для устойчивой работы канала формирования при положительной обратной связи, как известно, требуется, чтобы значение 1. Величина /з при проведении виброиспытаний неизвестна и трудно определима экспериментально. Поэтому, следуя выражению (61 можно осуществлять контроль за величиной 1 - K/KOC и по ее близости к единице оценивать вероятность возникновения самовозбуждения. Оценка величины I - каждом канале формирования осуществляется следующим образом. Сигнал с выходом уиножителя 12, равньй величине дисперсии i-ro фортмируемого узкополосного сигнала на входе прямой цепи, который определяется уровнем сигнала с генератора 1 шума, поступает на первый вход первого делителя 15, на второй вход которого поступает сигнал с выхода измерителя 9 дисперсии, дисперсия которого соответствует формируемому узкополосному сигналу на выходе прямой цепи при положительной обратной связи. В первом делителе 15 осуществляется операция деления сигнала j поступающего на второй вход, на сигнал, поступающий на первый вход, в результате чего получается значение Кос коэффициента усиления канала формирования при положи тельной обратной связи. С выхода первого делителя 15 сигнал,соответствующий значению данньй момент времени, поступает на первый вход второго делителя 16, на второй вход которого поступает сигнал с дополнительного выхода регулируемого усилителя 4, соответствующий коэффициенту усиления К прямой цепи канала формирования. В результате операции деления на выходе второго делителя 16 имеем сигнал, соответствующий отнощению К/Кр, который поступает на первый Вход второго вычитающего устройства 17, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода источника 20 опорного сигнала, соответствующий условной единице в принятом масштабе единиц.

На выходе второго вычитающего устройства 17 17олучается сигнал, соответствующий значению 1 - K/KOJ. , который поступает на первый вдох бло ка 18 сравнения, на второй вход которого поступает сигнал с второго выхода источника 20 опорного сигнала, соответствующий значению 0,9-0,99.

Конкретная величина сигнала выбирается в зависимости от типа испытуе-мого изделия и номера канала формирования ( зависит от инерционностей цепей измерения дисперсии у;зкополосных сигналов). В случае превышения сигнала на первом входе второго блока 18 сравнения соответствующего знанию 1 - К/Кд. , над сигналом на втором входе, на выходе появляется сигнал рассогласования, которьй указывает на возможность самовозбуждения данного .канала формирования (т.е. запас по устойчивости крайне мал, он определяется разностью между единицей и значением сигнала на втором входе блока 18 сравнения, например 0,05 ). С вькода блока 18 сравнения сигнал рассогласования поступает на .управляющий вход управляемого клю ча 19. При этом происходит отключение выхода регулируемого усилителя 4 от соответствующего входа общего сумматора 5 и тем самым исключается самовозбуждение данного канала.

Практическая реализация изобретения не вызывает принципиальных трудностей. Генераторы шума, полосовые фильтры, регулируемые усилители, аттенюаторы, сумматоры, вычитающие устройства, измерители дисперсии, ук ножители могут быть выполнены на базе опер ационных усилителей серии К 140. В качества блока сравнения может быть использована микросхема типа 523СА1. Управляемый умножитель может быть выполнен на базе микросхе 525ПС, а управляемый ключ - на базе MHRpocxeMbt 143КТ1.

Использование изобретения позволяет с высокой точностью формировать спектры широкополосных случайных виб.раций что способствует получению достоверных результатов испытания.

tllV

СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВИБРАЦИЙ, содержащая вибровозбудитель, параллельные каналы формирования, каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белого шума, двухвходовым сумматором, полосовым фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последовательно соединенные виброизмерительный преобразователь и регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к второму входу двухвходового сумматора, блок сравнения, один из входов которого подключен к задатчику программы, а выход - к управляющим входам регулируемых усилителя и аттенюатора, и измеритель дисперсии, вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, а также общий для всех каналов сумматор, с выходом которого соединен вибровозбудитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и надежности,,в каждый канал формирования введены последовательно соединенные второй измеритель дисперсии, подключенный к выходу генератора белого шума, умножитель, управляемый умножитель, первое вычитающее устройство и последовательно соединенные первый делитель,, второй делитель, второе вычитающее устройство, второй блок сравнения и управ ляемый ключ, а также источник опор(Л ного сигнала, выход умножителя соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя дисперсии, соединенным также с вторым входом .первого вычитающего устройства,; выход которого соединен с вторым входом первого блока сравнения, регулируемый усилитель имеет дополнительСП ный выход, соединенный с управляющим ел входом управляемого умножителя и вторым входом второго делителя,второй вход второго вычитающего устройства сое - динен с первым выходом источника опорного сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй вход управляемого ключа соединен с выходом ре гулируемого усилителя, а выход управляемого ключа - с входом общего сумматора .