Система управления вибратора Советский патент 1987 года по МПК G05B13/02 B06B1/04 

Изобретение относится к системам управления возвратно-поступательных механизмов и может быть использовано при проведении виброиспытаний новых машин, оборудования, приборов, а также при построении систем управления компрессоров, насосов, виброударных механизмов.

Цель изобретения - повьппение помехозащищенности вибратора. .

На чертеже приведена функциональная схема системы управления вибратора.

Система управления вибратора содержит последовательно соединенные блок 1 управления и задающий генератор 2, генератор 3 пробного сигнала, суммирующее устройство 4, блок 5 сравнения, блок 6 перемножения, последовательно соединенные усилитель 7 мощности, вибровозбудитель 8, датчик 9 положения и блок 10 дифференцирования, первый выход которого подключен к второму входу блока 5 сравнения, а второй - к третьему входу суммирующего устройства 4, последовательно соединенные вычислительно устройство 11 и интегратор 12, выход которого подсоединен к первому входу блока 6 перемножения, причем выход задающего генератора 2 подключен к первому входу суммирующего устройства 4, выход генератора 3 пробного сигнала подсоединен к четвертому входу суммирукщего устройства 4 и второму входу вычислительного устройства 11, выход суммирующего устройства 4 подключен к первому входу блока 5 сравнения, выход последнего- подсоединен к второму входу блока 6 перемножения, а выход блока 6 перемножения подключен к входу усилителя 7 мощности. Кроме того, выход датчика 9 положения подключен к второму входу суммирующего устройства 4, . первый выход блока 10 дифференцирования подсоединен к первому входу вычислительного устройства 11, а выход последнего подсоединен к входу интегратора 12.

Вычислительное устройство, например, мс1жет содержать сравнивающее устройство, 13, два амплитудных детектора 14 и 15 и полосовой фильтр 16, причем выход последнего подсоединен к входу первого амплитудного детектора 14, выход которого подключен к первому входу сравнивающего устрой

5

0

ства 13, выход второго амплитудного детектора 15 подключен к второму входу сравнивающего устройства.

Первым входом вычислительного устройства является вход полосового фильтра, вторым входом - вход второго амплитудного детектора, а выходом - выход сравнивающего устройства.

Блок 1 управления в простейшем случае может быть выполнен в виде двух управляемых резистивных делителей, подключенных к источнику стабилизированного напряжения. С одного из этих делителей снимается сигнал задания амплитуды, а со второго - сигнал задания частоты колебаний на выходе задающего генератора.

В качестве задающего генератора 2 может быть применен серийный генератор испытательных сигналов СУВУ-4, в качестве усилителя 7 мощности - серийный усилитель УС-1Н-25, входящий в состав оборудования для вибро- 5 испытаний АВДИ-1Н с электромагнитным вибровозбудителем СВ-100Н.

Датчиком 9 положения может быть любой датчик линейного перемещения, например типа ДЛП-1. Блок 10 дифференцирования может быть выполнен в виде дифференцирующего фильтра, построенного по принципу следящей системы, блок 6 перемножения - в виде стандартного узла на микросхеме 525ПС1. В качестве генератора пробного сигнала может быть использован любой генератор синусоидального сигнала, например ГЗ-53.

Суммирующее устройство 4, блок 5 сравнения, полосовой фильтр, амплитудные детекторы, сравнивающее устройство и интегратор 12 могут быть выполнены по известным схемам COCVT- ветствующих узлов, построенных на базе операционного усилителя.

Математическая модель известной системы управления вибратора в общем виде может быть записана

X f(x,,x,t) + b(x,x,t)U, (1)

0

5

0

5

где х,х,х - положение, скорость и ускорение подвижного элемента вибровозбудителя; и - напряжение на выходе усилителя 7 мощности; f, b - ограниченные нелинейные

функции.

Напряжение на выходе усилителя 7 мощности в известном устройстве сформировано по закону

. 31315936

и (V-jx+yh-dTy - ), (2) де k - коэффициент усиления усилителя мощности; V - сигнал на выходе задающего

генератора;5

у - коэффициент передачи датчика

положения;

h - суммарный сигнал помехи, приведенной к входу датчика положения ;

у, у - оценки соответственно х и х, полученные на выходах блока дифференцирования;

Т, d - постоянная времени и коэффициент желаемого уравнения , движения для подвижного элемента вибровозбудителя:

fO

с н J5 м п

Т X + dTi + X у V,

(3)

где X

желаемое положение подвижного элемента вибровозбудите

ля.

Динамика блока 10 дифференцирования может быть описана линейным дифференциальным уравнением

( + у y(x-h),. (4-) где /к - постоянная времени;

(Ь - коэффициент.

При выполнении стандартных требований к параметрам усилителя мощности и блока дифференцирования

(5)

- ju

Таким образом, составляющая ошиб ки u(t) x(t) - x(t), обусловленная наличием помех в канале измерения ошибки, в операторной форме мож 25 быть определена из соотношения

..h(g)

l+pp(bkf) p+fu4bkyr р

Следовательно, для сигнала помех 30 известный вибратор представляет соб фильтр нижних частот, постоянная вр мени которого |М

л,(р) f

bkj 1; Т; . --

уравнение динамики известной системы- IbkX

управления вибратора может быть пред-35 определяется величиной постояннойставлено в виде

- dTh

h.

-Ес ьО ёс,. (i-f)(i) -i-«,

где f

1 о

с. - биномиальные коэффициенты.

Заранее полагая достаточно малым отклонение выходной координаты K(t) от траектории, заданной желаемым уравнением движения (3), можно считать, что решение последнего уравнения близко к решению линейного нестационарного уравнения

Т .... ft/uT ... г.. ,„.

Щ- tey- - - т X -н dTx -f х

I )

(6)

h,

где b, f, f, f - значения соответственно b, f, f, f при x(t) . x(t).

При выполнении соотношений (5) характеристическое уравнение, соответствующее дифференциальному уравнению (6), при достаточно медленном из- менении функции времени b может быть представлено в виде

|U 2 Р +

( + dip 41)

/(

Щ

щ

Р + 1) о.

Таким образом, составляющая ошибки u(t) x(t) - x(t), обусловленная наличием помех в канале измерения ошибки, в операторной форме может быть определена из соотношения

..h(g)

l+pp(bkf) p+fu4bkyr р

Следовательно, для сигнала помехи известный вибратор представляет собой фильтр нижних частот, постоянная времени которого |М

л,(р) f

0

времени блока дифференцирования lu и коэффициентом усиления bky. При выбо-, ре коэффициента k из условия статической точности

k b- f д:

.

где д f. ,

2cr-l pf - допустимая статическая

tCT - fctl

5

ошибка; f,:. facr

- значения функций - «

f, f, , f, при X const;

минимальное значение постоянной времени при изменении функции времени

0

b в интервале Ь

мии с Pf

j. равно (7)

где

М

55

|u f,,, +

ci- ст

Таким образом, помехозащищенность известного вибратора определяется величиной отношения Ь.

/Ь.

-АЛИН РИ ЭТОМ

на выход вибратора проходят практи5131

чески без подавления все гармоники сигнала h(t) впло ть до частоты Т I М ,.с

р

Кроме того, при изменении функции b меняется положение полюсов передаточной функции W(p) д(р)/h(p),что может привести к дополнительному увеличению вклада некоторых гармонических составляющих сигнала h(t) в выходную координату x(t).

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени

которого построена на базе операционного усилителя, в режиме ограничения. На выходе блока перемножения формируется сигнал Q RU, который 5 начальный момент времени принимает

t t,, подвижный элемент вибровозбу- значение Q(t) и„, :)(t ). Напряжедителя 8 находится в положении x(tg)

x(tj,) О, xCt) О, усилительный каскад 7 отключен от вибровозбудителя 8, и пусть на задающий генератор 2 поданы сигналы с блока 1 управления, задающие частоту и амплитуду колебаний, такие, что выходной сигнал задающего генератора 2 имеет вид

V (u,t), где А и со, амплитуда и частота

колебаний.

Тогда на выходе блока 10 дифференцирования в соответствии с ур ав- нением (4) устанавливаются сигналы y(t ) О, y(t0) 0. Выходной сигнал сумматора 4 (t) представляет собой сумму желаемого значения второй производной сигнала с датчика 9 положения и напряжения с выхода генератора 3 пробного сигнала S - А sin(u,t) и формируется в соответствий с выражением

(t) Т (A,sinto,t + AjSincj t - dTy - у х).

На выходе блока 5 сравнения формируется разность Ь - y f Тогда в момент времени t, на выходе блока сравнения будет сигнал u(t) -5(tg). На выходе полосового фильтра (блока II), динамика которого может быть описана дифференциальным уравнением -i.TzZ + (i:, H-tj) Z + Z (С,+,)У ,(8)

где С, , С 2 , - постоянные коэффициенты,

в начальный момент времени устанавливается сигнал z(tg) О. На выходе первого амплитудного детектора в этом случае также нулевой сигнал f(t) 0, а на выходе второго амплитудного де0 огр 0

ние на выходе усилителя 7 мощности имеет вид

и kRu (9)

20 и в момент t t,., равно

U(tJ. kUorp 1- (A,sin(o,to + + A sinUjt - Ifx). При подключении выхода усилителя 7 мощности к входу вибровозбуди теля 8 напряжение UCt) вызывает возникновение тягового усилия, что приводит к перемещению подвижного элемента вибровозбудителя 8 и изменению выходного сигнала датчика 9 п

ложения. Сигнал ошибки (t) на выходе блока 5 сравнения начинает умень- щаться. Кроме того, в соответствии с. уравнением () в сигнале x (t) появляется составляющая С частотой со.

35 Составляющая этой же частоты появляется и в сигнале на выходе блока 10 дифференцирования y(t). Так как Параметры полосового фильтра выбирают такими, что максимум его амплитудно О частотной характеристики соответств ет частоте С02 составлякяцая этой ча тоты сигнала y(t) практически без. и кажения проходит на выход полосового фильтра, в то время как другие гармо

нические составляющие сигнала y(t) сильно ослаблены. Напряжение на вьпсо .де первого амплитудного детектора в этом случае равно амплитуде составля ющей с частотой со сигнала y(t), На50 пряжение на выходе устройства сравне ния изменяет знак и выходной сигнал интегратора 12 начинает уменьшаться При этом уменьшается коэффициент уси ления разомкнутого тракта системы и

55 следовательно, амплитуда составляющей с частотой СО- в сигнале y(t).

Таким образом, уменьшение напряжения на выходе интегратора 12 про66

тектора в любой момент времени присутствует сигнал 1 А. На выходе устройства сравнения формируется напряжение С j -, , и в начальный

момент времени оно равно G (t) А, В этом случае интегратор 12 входит в режим ограничения и на его выходе устанавливается сигнал R Ujj , где Up - напряжение на вы

ходе реального интегратора, схема

которого построена на базе операционного усилителя, в режиме ограничения. На выходе блока перемножения формируется сигнал Q RU, который в начальный момент времени принимает

значение Q(t) и„, :)(t ). Напряжезначение Q(t) и„, :)(t ). Напряже0 огр 0

ние на выходе усилителя 7 мощности имеет вид

и kRu (9)

и в момент t t,., равно

U(tJ. kUorp 1- (A,sin(o,to + + A sinUjt - Ifx). При подключении выхода усилителя 7 мощности к входу вибровозбудителя 8 напряжение UCt) вызывает возникновение тягового усилия, что приводит к перемещению подвижного элемента вибровозбудителя 8 и изменению выходного сигнала датчика 9 положения. Сигнал ошибки (t) на выходе блока 5 сравнения начинает умень- щаться. Кроме того, в соответствии с. уравнением () в сигнале x (t) появляется составляющая С частотой со. .

Составляющая этой же частоты появляется и в сигнале на выходе блока 10 дифференцирования y(t). Так как Параметры полосового фильтра выбираются такими, что максимум его амплитудночастотной характеристики соответствует частоте С02 составлякяцая этой частоты сигнала y(t) практически без. ис- кажения проходит на выход полосового фильтра, в то время как другие гармонические составляющие сигнала y(t) сильно ослаблены. Напряжение на вьпсо- .де первого амплитудного детектора в этом случае равно амплитуде составля- ющей с частотой со сигнала y(t), Напряжение на выходе устройства сравнения изменяет знак и выходной сигнал - интегратора 12 начинает уменьшаться. При этом уменьшается коэффициент усиления разомкнутого тракта системы и,

следовательно, амплитуда составляющей с частотой СО- в сигнале y(t).

Таким образом, уменьшение напряжения на выходе интегратора 12 про713

исходит до тех пор, пока сигнал на выходе первого амплитудного детектора 14 не становится равным сигналу на выходе второго амплитудного детектора. Одновременно, в соответствии с соотношением .(9)., изменяется сигнал на выходе усилителя мощности, обеспечивая стремление &(t) по закону, заданному желаемым уравнением движения (3).

Полная система уравнений, описывающих динамику системы управления вибратора, имеет вид

X f(x,x,t) + b(x,x,t)RkT (AjSinu t + AjSinw t - ух -dTy );

+P)(uy + у jx;

с, + (Г, +ci)

-z

z + z

,ft, -l.i iLlIlibk5RT: A, е

(juV + /)UP + I + bkyR)(c,-ir,p + (t, +t,)p+) ()

для выходного сигнала первого ампли- тудного детектора 14 справедливо ра25 венство

АсоЛ) (,VbkyRf A,cj,

(uЬkyR- Col).(,-,C,col)(г,.C,

9368

.(, + г)у;

XR Ai - AU,(Z),

где Ац (z) - выходной сигнал первого амплитудного детектора.

Для анализа динамики введенного контура используют структурный метод выделения быстрой подсистемы. Контур быстрых движений может быть описан системой уравнений

( + ftjuq. + q yf + bkjRT (V +

+ AsincOjt - УХ - dTy - T); .

t. C/z + (€, + z (.+%)q;

R AI - AU(Z),

при X const; x: const; у const; 5 у const; V const; R const; q y .

Следовательно, в операторном виде можно записать

(/г

Учитывая, что для нормальной работы введенного контура необходимо выбирать частоту пробного сигнала сС, удовлетворяющую соотношениям

W,

0) (г,) ,

и стандартное требование к коэффициенту усиления в системах с вектором Q скорости в управлении 1, можно

записать

,- 47

с, глу

Aa,,(z)

t, CjbkifRAi

2 Составляющая ошибки й() предлагае uT д| р 1 i + 1 мого вибратора, обусловленная нали-

Таким образом, динамика введенно- 45 помех в канале измерения ошибки,

го контура может быть описана диффе-g операторном виде может быть записа

мени b, в первом приближении можно считать I,

Z . 5jLlJH . f.-C.bky

Тогда динамика предлагаемого вибратора может быть описана уравнением (6) после замены функции времени b постоянным коэффициентом

,- 47

с, глу

ренциальным уравнением первого порядка

.,(Р) ч- «1

lElEI iZ R + R |11т1Ж1ЙГ, 50 i+Pf (b.kfjr p /t Cb.kyrp

Aj tjtibky L, причем требование к коэффициенту усии, если постоянная времени этого уравнения

EIJIJ L±.

T.CbkjA, выбрана достаточно малой по сравнению с темпом изменения функции врена

.,(Р) .MEL

ч- «1

i+Pf (b.kfjr p /t Cb.kyrp

ления k из условия статической точности в этом случае имеет вид

55 ЧуА„

Следовательно, постоянная времени для системы управления вибратора

р- ) Г т г

Таким образом, структура предлагаемо,. . - , (w

го вибратора позволяет в (Ь„, ) раз увеличить постоянную времени по сравнению с известным вибратором и за счет этого усилить фильтрацию помех. Кроме того, расположение полюсов передаточной функции W|(p) °Л(,(р)/Ь(р) не зависит от переменных параметров объекта и при известном спектральном составе помехи может быть выбрано так, что вклад помехи в выходную координату вибратора x(t) минимален.

Формула изобретения

Система управления вибратора, содержащая усилитель, подключенный к входу вибровозбудителя, выход которого соединен с входом датчика положения, выход которого соединен с вхо- дом блока дифференцирования и первым

O

J

0

входом сумматора, второй вход которого связан с выходом задающего генератора, вход которого соединен с выходом блока управления, третий вход сумматора соединен с первым выходом блока дифференцирования, второй выход которого соединен с первым взводом блока сравнения, отличающая- с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в нее введены генератор пробного сигнала, выход которого соединен с четвертым входом сумматора и первьм входом вычислительного устройства, второй вход которого соединен с вторым выходом блока дифференцирования, а выход через интегратор - с первым входом блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, а выход связан с входом усилителя .

Изобретение относится к системам управления возвратно-поступательных механизмов и может быть использовано при проведении виброиспытаний новых машин, о.борудования, приборов, а также при построении систем управления компрессоров, насосов, виброударных механизмов. Целью изобретения является повьппение помехозащищенности вибратора. Цель достигается тем, что в систему управления вибратора, содержащую блок управления 1, задающий генератор 2, блок сравнения 5, усилитель 7, вибровозбудитель 8, датчик положения 9, блок дифференцирования 10, суммирующее устройство 4, вводятся генератор пробного сигнала 3, блок перемножения 6, вычислительный блок 11 и интегратор 12, Такая структура системы управления вибратора позволяет при тех же требованиях к точности воспроизведения заданных колебаний повысить по-. мехозащищенность вибратора. 1 ил. с в сл САЭ СП СО оо ot