Система формирования заданного спектра вибрации Советский патент 1985 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к вибрационным испытаниям, а именно к системам формирования заданного спектра случайной вибрации с автоматизированной настройкой параметров,

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности формирования спектра вибрации путем уменьшения времени анализа и повышения помехоустойчивости.

На чертеже представлена структурная схема описываемой системы формирования заданного спектра вибрации.

Система содержит последовательно соединенные мнЬгоканальный формирователь спектра, каждый канал которого включает источник 1 случайного сигнала, первый управляемый ключ 2, регулируемый по добротности и частоте полосовой фильтр 3, управляемый усилитель 4 и второй управляемый ключ 5, сумматор 6, блок 7 вычитания, усилитель 8 мощности, вибровозбудлтель 9 с установленным на его подвижной части вибродатчиком 10, квадратичный детектор 11 и делитель 12, к второму входу которого подключен генератор 13 функций, последовательно соединенные генератор 14 пилообразного напряжения, выход котороге подключен также к управляющему входу генератора 13 функций; генератор 15 гармонического сигнала и третий управляемый ключ 16, выход которого подключен к вторым входам блока 7 вычитания и первого управляемого ключа 2 каждого канала формирователя спектра, и управляющее вычислительное устройство 17, с которым соединены управляющие входы первых и вторых управляемых ключей 2(5), полосовых фильтров 3, управляемых усилителей 4 и третьего управляемого ключа 16. Система содержит также последовательно соединенные аналоге цифровой преобразователь 18 (АЦП), вход которого соединен с выходом делителя 12, процессор 19 быстрого преобразователя Фурье (БПФ), блок 20 умножения и процессор 21 обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), выходы которого подключены к управляющему вычислительному устройству 17, оперативное запоминающее устройство 22 (ОЗУ), выходы которого подключены к вторым входам блока 20 умножения, а входы соединены с управляющим вычислительным устройством 17, и последовательно соединенные генератор 23 тактовых импульсов, выход которого соединен также с синхровходами АЦП 18 и процессора 19 БПФ, первый блок 24 задержки тактовых импульсов, выход которого соединен также с синхровходом ОЗУ 22, и второй блок 25 задержки тактовых импульсов, выход которого соединен с синхровходом процессора 21 ОБПФ.

Система работает следующим образом.

В режиме «Настройка все управляемые

ключи, кроме ключа 16, по команде управляющего вычислительного устройства 17 замкнуты. Гармонический сигнал генератора 15 сканируется в рабочем диапазоне частот с помощью генератора 14 пилообразного напряжения и поступает через ключ 16, блок 7 вычитания, усилитель 8 мощности на вход вибровозбудителя 9. Механические колебания вибровозбудителя 9 преобразуют в электрический сигнал установленным на изделии вибродатчиком 10. На выходе квадратичного детектора 11 формируется периодический сигнал с периодом Т, равным периоду генератора 14 пилообразного напряжения, и в интервале О, Т, по форме эквивалентный квадрату амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) вибротракта в рабочем диапазоне частот О, Q. Генератор 13 функций формирует сигнал с тем же периодом Т, но по форме эквивалентный заданному спектру Сз(ш). Сигнал на выходе делителя 12 после операции деления по форме соответствует форме спектра Оф(а)), который необходимо сформировать с помощью фильтров 3 для того, чтобы воспроизвести заданный спектр в контролируемой точке изделия

(1)

Далее этот сигнал поступает на АЦП 18, где он преобразуется в цифровую форму с частотой .выборки, определяемой частотой генератора 23 тактовых импульсов (число разрядов АЦП 18 определяется требуемой точностью). Цифровой сигнал поступает на вход процессора 19 БПФ, тактовая частота которого задается частотой генератора 23 тактовых импульсов, и над сигналом осуществляется операция дискретного преобразования Фурье (ДПЙ) по формуле

tl-i

X,(i),(n)(2)

где Xp(i) - коэффициенты ДПФ (/ О, 1, ...,

A-i);

Хр(п) -периодическая последовательность с периодом в N отсчетов (цифровой сигнал на выходе АЦП 18).

При этом для осуществления этой операции достаточно иметь один период сигнала на выходе делителя 12.

Блок 20 умножения осуществляет перемножение вычисленных в процессоре 19 БПФ коэффициентов ДПФ на весовые коэффициенты

а T-j ..I л - J

ё

(3)

2N

где ,1415; К - параметр. которые поступают из ОЗУ 22 в соответствии с тактовыми импульсами, задержанными в первом блоке 24 задержки тактовых импульсов на время вычисления в процессоре 19 БПФ, а вычисляются эти коэффициенты и обновляются в управляющем вычислительном устройстве 17. Весовые коэффициенты определяются формулой (3), если квадрат модуля АЧХ формирующих фильтров 3 достаточно точно описывается гауссовой кривой -,Jfa) ((Оо)П KV)-7 РГ г.р J р .р-средняя частота и полсгса пропускания формирующих фильтров 3; к - коээфициент усиления управляемых усилителей 4. В результате умножения на выходе блока 20 умножения - новые (Я-преобразованные) коэффициенты ДПФ (/). Процессор 21 ОБПФ производит над ними в соответствии с тактовыми импульсами, задержанными во втором блоке 25 задержки тактовых импульсов на время выполнения операций в блоке 20 умножения, операцию ОДПФ подформуле p(«)-f 1,.(0 В результате получается уменьшение полосы (обострение) и рост каждой гауссовой компоненты. Управляющее вычислительное устройство 17 по известным отсчетам сигнала Хрл(«) вычисляет полосу пропускания формирующего фильтра 3 и коэффициент усиления к управляющего усилителя 4 первого канала формирователя спектра из системы уравнений Х,(1)Х,(1- У2л( елр LJ. а(/ J .(5) .lv(/MpA(/-2) jJ Л/2я(Г-А) 2(F где С)о -средняя частота выделяемой гауссовой компоненты; xp;i() -значение сигнала P/CiJ) -значение сигнала при расстройке ±A(«)i; хрл(г-2) -значение сигнала при расстройке (см. фиг. 2), и определяет среднюю частоту ыо по максимальному отсчету Хр (1). При этом нет необходимости параметр К непрерывно увеличивать, а достаточно иметь одно значение, обеспечивающее выделение компоненты из формируемого спектра. Таким образом, управляющее вычислительное устройство 17 в этот момент имеет информацию о средней частоте шо, полосе пропускания р и коэффициенте передачи к первого канала формирователя спектра. Он преобразует ее в форму, необходимую для управления, и устанавливает на фЬрмирующем фильтре 3 и управляемом усилителе 4 первого канала формирователя эти параметры, устанавливает первый управляемый ключ 2 в первое положение и замыкает второй управляемый ключ 5 этого канала, что обеспечивает прохождение сигнала генератора 15 через канал и поступление его на второй вход блока 7 вычитания. Блок 7 вычитания реализует исключение из формируемого спектра уже отрегулированную спектральную составляющую. Далее процесс настройки многократно повторяется, пока не будет достигнута заданная точность формирования или все каналы формирователя спектра не будут настроены, Тогда управляющее вычислительное устройство 17 запирает ключ 16 и переводит управляемые ключи 2 во второе положение, -включив, таким образом, систему в режим «Испытание. В режиме «Испытание сигналы источников 1 случайного сигнала, пройдя каналы формирования спектра, суммируются в сумматоре 6. В результате на его выходе формируется сигнал возбуждения, который, пройдя вибротракт, реализует в контрольной точке изделия или подвижной части вибровозбудителя 9 воспроизведение заданного спектра вибрации. Увеличение быстродействия достигается не за счет цифровой реализации части устройства, а за счет нового алгоритма определения параметров формирователя спектра с использованием ДПФ, который и позволяет ограничиться одним периодом сигнала, определяющего АЧХ вибратора, для чего используют процессор БПФ.

СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО СПЕКТРА ВИБРАЦИИ, содержащая последовательно соединенные многоканальный формирователь спектра, каждый канал которого включает источник случайного сигнала, первый управляемый ключ, регулируемый по добротности и частоте полосовой фильтр, управляемый усилитель и второй управляемый ключ, сумматор, блок вычитания, усилитель мошности, вибровозбудитель с установленным на его подвижной части вибродатчиком, квадратичный детектор и делитель, к второму входу которого подключен генератор функций, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен к управляющему входу генератора функций, генератор гармонического сигнала и третий управляемый ключ, выход которого подключен к вторым входам блока вычитания и первого управляемого ключа, и управляющее вычислительное устройство, с которым соединены управляющие входы первых и вторых управляемых ключей, полосовых фильтров, управляемых усилителей и третьего управляемого ключа, отличающаяся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности формирования спектра вибрации, в нее введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого соединен с выходом делителя, процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок умножения и процессор обратного быстрого преобразоi вания Фурье (ОБПФ), выходы которого подключены к управляющему вычислительному (Л устройству, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выходы которого подключены к вторым входам блока умножения, а входы соединены с управляющим вычислительным устройством, и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с синхровходами АЦП и процессора БПФ, первый и второй блоки задержки тактовых импульсов, выю ходы которых подключены соответственно к о синхровходу ОЗУ и к синхровходу процессора ОБПФ. о 00