Устройство для определения нелинейных характеристик колебательных систем Советский патент 1987 года по МПК G05B23/02 

11

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения динамических свойств конструкций, машин, механизмов и других объектов при действии кратковременных ударных нагрузок, например, при конструировании роботов-манипуляторов, летательных аппаратов и т.п., где требуются высокие точность и быстродействие опре- деления нелинейных характеристик испытуемых колебательных - систем.

Цель изобретения - повьшшние точности и информативности экспериментального исследования колебательных систем.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства-; на фиг. 2 - структурная схема блока вычисления мгновенной частоты; на фиг. 3 - структурная схема блока вычисления декремента колебаний.

Устройство (фиг. 1) включает механическую колебательную систему с источником 1 напряжений, первым выходом 2, пропорциональным скоро-, сти, и вторым выходом 3, пропорциональным перемещению, полосовой фильтр 4, блок 5 преобраз,ования Гилберта, дифференциатор 6, первый 7 и второй у блоки возведения в квадрат, сумматор 8, блок 9 извлечения квадратного корня, блок 10 вычисления мгновенной частоты, первый двух координатный регистратор 11, блок 12 вычисления декремента колебаний, второй двухкоординатньш регистратор 13. На фиг. 1 обозначено: 14 и 15 - входы первого 7 и второго 7 блока возведения в квадрат; 16-18 - вто- рой, третий и четвертый входы блока 10 вычисления мгновенной частоты; 19 и 20 - соответственно его первый и пятый входы; 21 и. 22 - соответственно второй и первый вход первого двухкоординатного регистратора 11 ; 23 и 24 - второй и первый вход блока 12 вычисления декремента колебаний; 25 и 26 - второй и первый входы второго двухкоординатного регист ратора 13. На фиг. 2 обозначено: 27 и 28 - первьш и второй умножитель, 29 - вычитатель, 30 - делитель J на фи г. 3 - 31 - элемент памяти максимума огибакяцей, 32 - делитель логарифмический, 33 - делитель .

Устройство работает следующим образом.

62

Ударный механизм (не показан) коротким импульсом возбуждает свободные колебания .в механической ко- леба тельной системе. Причем длительность удара намного меньше периода собственных колебаний системы.

Источник 1 напряжений преобразует механические колебания в электрический сигнал x(t), пропорциональный перемещению, на втором 3 и в электрический сигнал x (t), пропорциональный скорости, на первом выходе 2.

Поступающий с выхода полосового фильтра 4 сигнал x(t) проходит через элементы устройства, где производится его преобразование и регистрация

На двухкоординатных приборах 13 и 11 регистрируют зависимость мгновенной частоты сигнала f(t) и декремента колебаний 5(t) от мгновенной амплитуды (огибающей) сигнала A(t).

Так называемая скелетная кривая колебательной системы, выражающая связь между мгновенной частотой f(t и мгновенной амплитудой (огибающей) сигнала A(t.) при свободных колебаниях, содержит информацию о собственных нелинейных упругих, т.е. о е жесткости (податливости).

Скелетная кривая в графической форме выражает связь собственной частоты нелинейной системы с амплитудой колебаний.

Для вычисления мгновенной амплитуды (огибающей) A(t) в устройстве осуществляется вычисление согласно формуле

A(t)Hx (t)+x (t) ,

(1)

где x(t) - преобразование Гильберта .сигнала x(t), а мгновенная частота f(t) вы-, числяется по формуле

, . 1 x(t) x;(t)-x (t) Xr(t), , . f(t) 2. (2)

Вычисление no этим формулам осуществляется в блоках и элементах устройства следующим образом.

Сигнал x(t) поступает на вход 14 первого блока возведения в квадрат, где вычисляется x (t). Одновременно этот сигнал поступает на вход блока преобразования Гильберта 5, где вычисляется X (t) .

Блок преобразования Гильберта выполнен в соответствии с алгоритмом, указанным в 43.

312

Сигнал с выхода блока 5 преобразования Гильберта подступает на вход второго,блока 15 возведения в квадрат, на выходе которого будет сигнал X (t).. Далее сигналы с блоков

7возведения в квадрат поступают на вход сумматора 8, где производится вьтчисление x(t)+xVt). Этот сигнал поступает на вход блока 9 извлечения квадратного корня и затем поступает на второй вход 21 первого двухкоор- динатного регистратора 11 в виде (1) Это мгновенная амплитуда (огибающая) сигнала.

Для формирования сигнала мгновен- ной частоты f(t) на второй вход 16 блока 10 вычисления мгновенной частоты подается сигнал с выхода сумматора 8 X (t)+x |.(t), на третий вход 17 - выход блока 5 преобразования Гильбер- та X;.(t), на четвертый вход 18 - выход 6 дифференциатора xj.(t), на первый вход 19 - сигнал x(t) с выхода полосового фильтра 4, на пятый 20 - .сигнал с выхода 2 источника 1 напря- жений, пропорциональный скорости x (t). В блоке 10 вычисление мгновенной частоты осуществляется по формуле (2).

Первое произведение числителя осу- ществляется во втором умножителе 28 (фиг. 2), второе произведение.- в первом умножителе 27, разность произведений вычисляется в вычитателе 29. Деление разности на сумму квадратов и умножение на постоянный коэффициент осуществляется в делителе 30.

Сигнал с выхода блока 10 поступает на первый вход 22 первого двух- координатного регистратора 11, где и регистрируется скелетная кривая колебательного процесса.

Регистрация зависимости декремента колебаний S(t) от мгновенной амплитуды (огибающей) сигнала A(t) . осуществляется во втором двухкоорди- натном регистраторе 13.

L Декремент колебаний .(t) вычисляется в блоке 12 и поступает на второй вход 26 второго двухкоординат- ного регистратора 13. На-блок 12 поступает сигнал огибающей A(t) (фиг.З)

8элементе 31 памяти максимума огибающей (пиковий детектор)фиксирует- ся значение максимума.

В логарифмическом делителе 32 осу- ществляется деление максимума огибающей на текущее значение огибаняцей во времени с последующим вычислени

O

5 0 5

о

5

0

5

64

ем логарифма от частного и делением на текущее время, т.е. вычисление

коэффициента затухания h(t)ln дт-гх /

/t. -Затем в делителе 33 осуп1ествля- ется деление сигнала с выхода логаг рифмического делителя 32 (коэффициента затухания h(t)) на мгновенную частоту f(t). Таким образом вычисляется декремент колебаний S(t)..

В предложенном устройстве в качестве блока вычисления декремента колебаний используется блок определения декремента колебаний, используемый в 21.

Таким образом, предложенное устройство дает возможность определить степень нелинейности конструкции. Это облегчает и уточняет расчет колебательной системы с учетом ее нелинейных свойств. В реальной конструкции практически всегда действуют нелинейные упругие силы и нелинейные силы трения). Величина нелинейности дается в количественной оценке как для нелинейного демпфирования (например, конструкционное демпфирование, сухое трение), так и для нелинейной упругости (контактная жесткость).

Формула изо бретения

1 . Устройство для определения нелинейных характеристик колебательных систем, содержащее источник напряжений, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому и второму входам полосового фильтра, сумматор, соединенный первым и вторым входами соответственно с выходами первого и второго блоков возведения в квадрат, блок вычисления декремента колебаний, первый вход которого соединен с первым входом первого двухкоординатного регистрато- . ра, а выход - с первым входом второго двухкоординатного регистратора,

отличающееся, тем, что, с целью повышения информативности определения характеристик системы, устройство содержит блок вычисления мгновенной частоты, блок извлечения квадратного корня, дифференциатор и блок преобразования Гильберта, вход которого соединен с входом первого блока возведения в квадрат, с первым выходом полосового фильтра и первым

512

входом блока вычисления мгновенной частоты, второй вход которого соединен с выходом сумматора и входом блока извлечения квадратного корня, третий вход - с выходом блока преоб- разования Гильберта, входами второго блока возведения в квадрат и дифференциатора, четвертый вход - с выходом дифференциатора, пятый вход - с вторым выходом полосового фильтра, а выход - с первым входом блока вычисления декремента колебаний, выход блока вычисления квадратного корня соединен с вторыми входами первого и второго двухкоординатных регистра- торов и блока вычисления декремента колебаний.

2, Устройство по п. 1, о т л и ч ающеес. я тем, . что блок вычисления мгновенной частоты содержит первый умножитель и последовательно соединенные второй умножитель, вычи166

татель и делитель, подключенный выходом к выходу блока, а вторым входом к первому входу блока, второй и третий входы блока соединены соответственно с первым и вторым входами первого умножителя, подключенного выхо- дой к второму входу вычитателя, а четвертый и пятый входы соединены соответственно с первым и вторым входами второго умножителя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок вычисления декремента колебаний.содержит последовательно соединенные элемент памяти максимума огибанщей, логарифмический делитель и делитель, подключенньй выходом к выходу блока, а -BTopbW входом - к первому входу блока5 второй вход блока соединен с вторым входом логарифмического делителя и входом элемента памяти максимума огибающей.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в случаях, когда требуются высокие точности и оперативность определения нелинейных характеристик испытуемых колебательных систем. Цель изобретения - повышение информативности определения характеристик системы - достигается тем, что устройство, кроме источника 1 напряжений на первом выходе 2, которого сигнал пропорционален перемещению,- полосового фильтра 4, первого 7 и второго 7 квадраторов, сумматора 8, двухкоординатного регистратора 11, блока 12 вьтолнения декремента колебаний и второго двухкоординатного регистратора, содержит блок 5 преобразования Гильберта, дифференциатор 6, блок 9 извлечения квадратного корня и блок 10 вычисления мгновенной частоты. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л to ос

,3

Фи,&

Составитель В.Кузин Редактор К.Волощук Техред Л.Сердюкова

Заказ 7715/УО Тираж 862Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 5

Корректор Г.Решетник