Регулятор для виброзащитного устройства Советский патент 1989 года по МПК G05D19/02 F16F15/03 

Изобретение относится к машиностроению и судостроению и может быть

использовано в составе активньк виброзащитных систем, предназначенных

3150

ппя защиты от вибрации человека-оператора, прецизионного измерительного и технологического оборудования и т.д., а также для снижения вибрации работающих машин и механизмов.

Целью изобретения является повышение точности и стабильности регулятора.

На фиг. 1 представлена структур- ная схема регулятора; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Схема регулятора содержит канал 1 виброкомпенсации, датчик 2 возбужда- ющей силы, заи 1щаемый объект 3, виброизолятор 4, усилитель 5, вибровозбудитель 6, блок 7 управления, величиной коэффициента усиления усилителя 5, датчик 8,суммарной (т.е. не- скомпенсированной) силы, блок 9 сравнения, первый 10 и второй 11 полосовые фильтры, фильтр 12 низких частот суммирующий усилитель 13, генератор 14 опорного сигнала, магнитопровод 15, жесткую проставку 16, упругие элементы 17 и 18, якорь 19, рабочую обмотку 20.

Кроме того,на фигурах обозначены: F - сила, вызывающая вибрацию, f - возбуждающая сила, f - компенсирующая сила, U; - выходной сигнал i-ro блока регулятора, 1с-,- козффициент усиления i-ro блока регулятора.

В качестве блика 9 сравнения в регуляторе может быть применен фазовый детектор.

Полосовые фильтры 10 и 11 могут быть вьпюлнены следящими.

Генератор 14 опорного сигнала выполнен так, что частота его выходного напряжения изменяется по периодическому или случайному закону относительно некоторого среднего значения,

Регулятор работает следующим образом.

При вытслюченном блоке 7 управления величиной коэффициента усиления усилителя 5 (например, при отключенных полосовых фильтрах 10 и 11 от входов блока 9 срав.Нения) средний коэффициент усиления канала 1 виброкомпенсаср

ции К|в , определяемый как произведение коэффициентов передачи датчика 2 возбуждающей силы, усилителя 5 (с регулируемь1м усилением) и вибровозбу-

дителя 6, выбирается равньт оптимальному расчетному значению ( |

14

1 ОЯТ 1л „, ,

сг|Ко . При этом эффект компен- сации возбуждающих сил, действующих на защищаемый объект 3 со стороны виброизолятора 4, обычно велик ( дБ) и определяется соответствием реальных коэффициентов передачи блоков канал 1 виброкомпенсации оптимальным расчетным значениям. Экспериментально коэффициент усиления канала 1 виброкомпенсации, близкий к оптимальному, может быть найден как среднее значение двух коэффициентов усиления 1 1 и|К| 1, при Которых выходные напряжения полосового фильтра 1 1 равны и п ревышают уровень помех.

Однако на практике виброзащитный эффект,.обеспечиваемый данным регулятором в рассмотренном реж1- ме работы, оказывается нестабильным, т.е. виброзащитное устройство работает ненадежно. Объясняется это изменением во времени коэффициентов преобразования датчика возбуждающей силы 2 и вибровозбудителя 6. Обычно используемые в таких регуляторах в качестве датчиков пьезокерамические динамометры изменяют величину своей чувствительности из-за снижения уровня .поляризации пьезоэлементов, А электромагнитные вибровозбудители, обладающие применительно к данному регулятору высокой надежностью, благодаря силовому взаимодействию через воздушные зазоры существенно изменяют в еличину развиваемых ими сил в транспортных условиях, в которых применение, а ктив- ных виброзащитных средств оказьшает- ся наиболее целесообразным из-за ограниченных возможностей пассивньк виброизолирующих систем.

Изменения коэффициентов преобразования датчика 2 возбуждающей силы и электромагнитного вибровозбудителя 6 происходят без искажений их ампли- тудно-и фазочастотных характе ристик, поэтому в регуляторе для виброгасяще- го устройства (фиг. 1) они проявляются какастатические или квазистатичас- кие изменения коэффициента усиление - канала виброкомпенсации 1, которые связаны с изменением э ффективности В виброгасящего устройства в диапазоне вибрации следующим выражением:

dK

fb

f- ..

1 ( (1)

В - эффективность виброгасящего устройства, определяемая как отношение возбуждающей силы f к суммарной силе (f+f) , действующей на защищаемьш объект 3 при работающем регуляторе;компенсирующая сила.

fИз (1) видно, что влияние нестабильности коэффициента усиления Кр на эффективность В виброзащитного устройства возрастает с приближением к режиму полной компенсации возбуждающей силы f, т.е. при . Это определяет необходимость стабилизации коэффициента усиления канала 1 виброкомпенсации либо вблизи граничных . значений (соответствующих границах устойчивости электромеханической системы управления), либо вблизи оптимального значения Кл -1, если огра- 1тачения на реализацию режима полной компенсации возбуждающей силы f отсутствуют. На практике этот режим возможен при избирательном принципе формирования компенсирующей силы а также в широкополосных виброзащитных устройствах с существенным, более октавы, разделением собственных частот виброизолирующей системы и частот возбуждающей силы f, как это имеет место в ррторньк механизмах. В пер- . вом случае на входе усилителя 5 (с регулируемым усилением) устанавливают несколько параллельно включенных по- лойовых, обычно следящих, фильтров, а во втором - усилитель 5 представляет пирокополосньш усилитель с фильтром верхних частот, та которого размещена

граничная часто- II

в диапазоне между максимальной из собственных частот и минимальной частотой возбуждающей силы f,

Стабилизация коэффициента усиления канала 1 виброкомпенсации вблизи оптимального значения Кп | 1 применением известного регулятора во многих случаях оказывается невозможной из -за наличия механических или элект- р ических помех с частотами, близкими или. равными частотам возбуждающей - силы f. При этом выходной сигнал датчика 8 суммарной силы, кроме полезного сигнала, уменьшающегося с приблиКг

к 1,

7о теми же или

жением коэффициента усиления содержит составляюш 1е с близкими частотами, которые не умень-: шаются в процессе управления. Это озк начает, что значений Кг

и -ет. некотором интервале

..опт f , содержащем К - 1 ,

составляющие помех или наводок, например при гашении вибрахщи с частотой 50 Гц, превьпиают полезньш сигнал, пропорциональный суммарной силе (f + + f), и известный регулятор оказывается неработоспособным.

В связи с этим стабилизируемый коэффициент усиления кГ канала . 1 виб- рокомленсации 1 приходится выбирать существенно меньше оптимального значения К 1, например в пределах 15 0,8-0,9, что соответствует эффективности виброгашения 15-20 дБ, которая при повьш1енных требованиях к виброзащите оказывается недостаточной. При включенном блоке 7

10

20

управления

величиной коэффициента усиления усилителя 5 выходное напряжение генератора 14 опорного сигнала подается через суммирующий усилитель 13 на управляющий вход усилителя 5 (с реру- 25 лируемым)усилением). Это напряжение, которое в рассматриваемом ниже режи- ме работы регулятора имеет форму ме- андра, что не. является обязательным, изменяет коэффициент усиления Кр усилителя 5 канала 1 виброкомпенса- ции на величину ДКп от среднего значения, которое в силу изложенного равно оптимальному коэффициенту уси30

Ленин UfH (фиг. 26),

ЧЧ

f°

35

40

45

50

: 55

Величина приращения коэффициента усиления ЛК/ц выбрана так, что в интервале его значений, определяемом неравенством -1+ДК|:р : Кл ; -l-iKr , на выходе датчика 8 суммарной силы обеспечивается необходимое для качественной работы регулятора соотношение полезного сигнала и помехи. В связи с применением в данном регуляторе фазового детектора в качестве блока сравнения это соотношение для всех типов помех, кроме помехи с частотой возбуждающей силы, может быть меньше 1, в то время как при использовании в качестве блока сравнения коьшаратора это соотношение должно быть больше 1. Объясняется это повышенной избирательностью фазового детектора по отношению к помехам, частоты которых отличаются от частоты возбуждающей силы, на которую настроены полосовые первый 10 и второй 11 фильтры, на величину, превосходящую полосу пропускания фазового детектора, которая может составлять доли

7 150984

герц и определяется скоростью отраба- тыьаемьгх изменений коэффициента усиления Крд усилителя 5. Необходимая избирательность фазового детектора в данном регуляторе обеспечивается наличием в его составе фильтра 12 низких частот с интегратором на его выходе.

Периодическое изменение коэффици- л ента усиления Кг усилителя 5 относительно единицы (фиг, 26) приводит к тому, что в положительные полупериоды опорного сигнала модуль коэффициента усиления I Кг I 1 + ДКГц, т.е. 5 превосходит 1. Это означает, что в виброзащитном устройстве на всех частотах возбуждающей силы, принадлежащих его рабочему диапазону, происходит перекомпенсация, т.е. вектор сум- 20 марной силы на каждой из указанных частот равен значению (f-t-f ) и имеет фазу вектора компенсирующей силы f., формируемого каналом 1 виброкомпенса- , ции регулятора для виброзащитного 25 устройства.

Временная диаграмма выходного нап- ряжения полосового фильтра 11, наст- роенного на одну из составляющих сигнала датчика 8 суммарной силы, показана на фиг. 2 в. В отрицательные по- лзшериоды опорного сигнала JKr 1 - Л.Кго и в виброзащитном устройстве происходит недокомпенсация возбуждающих сил, что на временной диаграмме фиг. 2в отр ажается в том, что 35 фаза напряжения, пропорционального суммарной силе (f+f ) , совпадает с фазой выходного напрялсения полосового фильтра 10, которое линейно связано с возбуждающей силой f (фиг. 2а) . В связи с симметрией изменений модуля коэффициента |Кг усилителя 5 относительно 1 (фиг. 26) амплитуда суммарной .силы (фиг. 2в) при положительных и отрицательных приращениях коэффи- 45 циента усиления .Кг усилителя 5 остается постоянной, так как для любой составляющей возбуждающих сил в эти моменты времени выполняются соотношения : 50

18

щищаемый объект 3 в положительный и отри цатель ньй полупериоды опорного сигнала; f| и f j - ir-e составляющие воз буждающей и компенси рующей (активной) сил Таким образом, при симм етричной прямоугольной модуляции коэффициента усиления усилителя 5 относительно

I., опт 1 . Kfд I 1 составляющие сум марной силы представляют собой посл довательность гармонических импульсо длительность которых равна половине периода Т)ц опорного сигнала, а фаза силы в начале каждого импульса меня т ется на 180°. Это означает, чтовре зультате периодического изменения коэффициента усиления усилителя 5 ка нала 1 виброкомпенсации относительно

оптимального значения К

опт

fo

т1 сос30

тавляющие суммарного усилия, действу ющего на защищаемый объект 3, становятся фазоманипулированными.

Известно, что спектр таких гармонических импульсов сил не содержит составляющей с частотой OJ; возбуждаю щей силы f, но- Имеет ряд составляющи

/1 2 F с частотами о/,- + --- и меньшими

J-M амплитудами. Спектр 1-й составляюще

f , суммарной силы f , действующей

по периодическому или случайff fi- f fi- fi (C-AKfJ fi (1-1-uK|,)-fiuK4. ,

ff,, f,+ ;+ fi ( f, (1-1+4К,)(йК|.„,

где ff и векторы суммарной си55

на защищаемый объект, изображен на фиг. 2 к. Видно, что преобразование

дискретной составляющей f- в спектр сопровождается дополнительным Снижением уровня возбуждения защищаемого- объекта 3, а следовательно, и его вибрации. Этот эффект снижения вибра ции может быть многократно увеличен за счет изменения частоты модуляции 2.J

ТА,

ному законам, при этом происх.одит . ущирение каждой из составляющих спектра i-й составляющей суммарной силы f} одновременным снижением их величины. Характер этого спектра при случайном изменении частоты модуляции на 20% от среднего, значения пока зан на фиг. 2 к пунктиром.

Таким образом, благодаря периодическому изменению коэффициента усиле ния усилителя 5 канала 1 виброкомпен .сации данного регулятора относительн

оптимального значения -Кна

.то

лы, действующие на за- защищаемый объект 3 действуют фазо18

щищаемый объект 3 в положительный и отрицатель ньй полупериоды опорного сигнала; f| и f j - ir-e составляющие возбуждающей и компенсирующей (активной) сил Таким образом, при симм етричной прямоугольной модуляции коэффициента усиления усилителя 5 относительно

I., опт 1 . Kfд I 1 составляющие суммарной силы представляют собой последовательность гармонических импульсо длительность которых равна половине периода Т)ц опорного сигнала, а фаза силы в начале каждого импульса меня т- ется на 180°. Это означает, чтовре- зультате периодического изменения коэффициента усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпенсации относительно

оптимального значения К

опт

fo

т1 сос

тавляющие суммарного усилия, действующего на защищаемый объект 3, становятся фазоманипулированными.

Известно, что спектр таких гармонических импульсов сил не содержит составляющей с частотой OJ; возбуждающей силы f, но- Имеет ряд составляющих

/1 2 F с частотами о/,- + --- и меньшими

J-M амплитудами. Спектр 1-й составляющей

f , суммарной силы f , действующей

по периодическому или случай

на защищаемый объект, изображен на фиг. 2 к. Видно, что преобразование

дискретной составляющей f- в спектр сопровождается дополнительным Снижением уровня возбуждения защищаемого- объекта 3, а следовательно, и его вибрации. Этот эффект снижения вибрации может быть многократно увеличен за счет изменения частоты модуляции 2.J

ТА,

ному законам, при этом происх.одит . ущирение каждой из составляющих спектра i-й составляющей суммарной силы f} одновременным снижением их величины. Характер этого спектра при случайном изменении частоты модуляции на 20% от среднего, значения показан на фиг. 2 к пунктиром.

Таким образом, благодаря периодическому изменению коэффициента усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпен- .сации данного регулятора относительно

оптимального значения -Кна

.то

защищаемый объект 3 действуют фазоманипулированные составляющие суммарной силы, возбуждающее действие которых проявляется в возникновении вибрации защищаемого объекта 3 на нескольких комбинационных частотах,

2 равных + --- . При изменении

1 М

частоты модуляции 27Г/Т опорного сигнала уровень возбуждения защищаемого объекта 3 снижается, а при случайном характере этих изменений спектр возбуждаемой вибрации становится сплошным и имеет минимальный уровень.

Рассмотренное преобразование спектра составляющих суммарной силы обеспечивается только при равенстве Кг Kfp . Если это равенство нарушается (фиг. 2е)., в спектре i-й составляющей суммарной силы (фиг. 2к) появляется составляющая с частотой Это приводит к снижению эффективности виброзащитного устройства. Для устранения этого недостатка регулято снабжен блоком 7 управления величино коэффициента усиления усилителя 5, которьм подстраивает средний коэффициент усиления |К усилителя 5 к оптимальному значению 1 1.

Это происходит следующим образом. „ „ ср „опт Если К/ - К f , то фазоманипулированный сигнал с выхода второго полосового фильтра 11 подается на один из входов блока 9 сравнения, т.е. .фазового детектора, на другой вход которого подается выходное напряже- ние первого полосового фильтра 10, пропорциональное i-й составляющей возбуждающей силы, действующей на запщщаемый объект 3 и имеющей частоту i5i (фиг. 2а). В результате сравнения этих сигналов (фит. 2а, в) в фазовом детекторе на его выходе образуется напряжение, пропорциональное произведению амплитуд входных сигналов, а знак определяется сдвигом фазы между

этими сигналами. Временная диаграмма выходного напряжения фазового детектора для Э.ТОГО случая показана на фиг. 2г. В связи с равенством положительных и отрицательных полупериодов этого напряжения, соответствующих синфазности и антифазности входных сигналов (фиг. 2а, в) выходное напряжение фильтра 12 низких частот равно нулю (фиг. 2д) и управление коэффициентом усиления усилителя 5 канала .11 виброкомпенсации отсутствует. Если в процессе работы виброзащитного уст10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

ройства средний коэффициент усиления

ср К f изменяемся, например становится

меньше К -1 (фиг. 2е), процесс недокомпенсации будет более явно выражен по сравнению с процессом пере- компенса1.щи, что проявляется, в том, что i-я составляющая суммарной силы

I-,„ Тл

в первьш полупериод С - --- модулирующего напряжения будет иметь меньшую амплитуду (фиг. 2ж), чем эта же составляющая во второй полупериод недокомпенсации - Тд,. Полупериоды выходного напряжения фазового детектора (фиг. 2з) при этом уже не будут равными, что .проявится в появлении постоянного напряжения на выходе фильтра 12 низких частот. Это напряжение складывается в суммирующем усилителе 13 с выходным сигналом генератора 14 опорного сигнала и подается на упра вляющий вход усилителя 5. В результате этого его коэффициент усиления изменяется так,что средний коэффициент усиления Кс всего канала 1 виброкомпенсации стремится к оптимальному значению К -1.

то го

Аналогично процесс регулирования среднего коэффициента усиления канала 1 виброкомпенсации происходит при его отклонении от оптимального значения в, сторону его больших (по модулю) значений.

Средний период Т, опорного сигнала выбирается значительно больше вре-. мени переходных процессов во втором палосовом фильтре 11, обусловленных прежде всего скачками фазы его входного сигнала в моменты переходов коэффициента усиления К канала 1 виброкомпенсации через оптимальное значение -1.. .

Кроме , частота опорного сигнала должна быть, по крайней мере, в несколько раз меньше частоты i-й вибрационной составляющей, выбранной. для формирования управляющего сигнала, используемого при настройке среднего коэффициента усиления усилителя 5 канал 1 вйброкомпенсации на оптимальное значение -1. Обычно частота.. /опорного сигнала составляет дапи (единицы герц) , а его форма может существенно отличаться от рассмотренной прямоугольной. Выбор формы опорного сигнала принципиального значения не имеет, поэтому в качестве генератора 14 опорного сигнала могут быть приме7

йены, например, генераторы синусоидального, трапецеидального или пилообразного сигналов. Поскольку выходной сигнал датчика 2 возбуждающей силы во многих .случаях является полигармоническим, т.е. содержит несколько составляющих с различными частотами, то выбор составляющей, используемой в блоке.7.управления величиной коэ(3|5фицивнта усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпенсации, имее,т важное значение. Если усилитель 5 (с регулируемым усилением) является избирательным, то основным критерием выбора рабочей частоты блока 7 управления его коэффициентом усиления является.максимальное соотношение вибрационный сигнал/помеха, от величины которого зависит точность настройки среднего коэффициента усиления К усилителя 5 на оптимальное значение -1 и эффективность виброзащитного устройства.

В избирательном варианте данного регулятора для виброзащнтного устройства полосовой фильтр 10 может ртсутствовать. Напряжение, пропорциональное выбранной составляющей возбуждающей силы,, при .этом подается на вход фазового детектора с выхода соответствующего полосового фильтра усилителя 5 (с регулируемым усилением), если усилитель 5 имеет на входе параллельно включенные полосовые фильтры.

При широкополосном усилителе 5 .выбор составляющей возбуждающей силы, используемой при управлении величиной его усиления, осуществляется с учетом неравномерности амплитудно- и фазочастотных характеристик канала 1 виброкомпенсации, а также требований к величине ви.брозащитного эффекта ria отдельных частотах вибрации. Для эффективного гашения полигармонической вибрации при использовании для управления виброзащитпым устройством данного регулятора частотные характеристики его канала1 виброкомпенсации должны быть равномерными, причем сдвиг фазы в рабочем диапазоне частот не должен существенно (например, не более ± 3 ) отличаться от -180°.

На практике эти требования несложно вьтолнить, по крайней мере, в диапазоне до нескольких сотен герц, так как наиболее инерционный элемент

0

5

этого регулятора - электромагнитньш вибровозбудитель 6 - в настоящее время может быть выполнен достаточно Широкополосным. При этом несмотря на то, что для управления усилением канала 1 виброкомпенсации обычно используется одна из составляющих выходного сигнала датчика 2 возбуяодаю- щей силы, данный регулятор может обес- обеспечить эффективную компенсацию всех или нескольких составляющих возбуждающей силы f, действующей на защищаемый объект 3.

Одновременно с компенсацией составляющих возбуждающей силы регулятор, обеспечивает перераспределение нёскомпенсированной части колебательной энергии по частотному диапазону путем фазовой манипуляции сост авляго- щих суммарной силы (f+f). Благодаря

автоматической подстройке среднего

ср

значения коэффициента vcилeния К /

то

усилителя 5 канала 1 виброкомпенсагОПГ

0

5

0

5

0

5

ции к оптимальном значению .К

fo

- 1 эффект гашения )яирокополосной вибрации защищаемого объекта 3 за счет частичной компенсации составляющих возбуждающей силы и преобразования гармонических составляющих суммарной силы в линейчатый или шумопо- добный спектр с минимальным уровнем становится стабильным во BpeMeini, что увеличивает надежность работы виброзащитного устройства с

Широкополосность - важное свойство предлагаемого регулятора для вибро- защитного устройства.

Таким образом,предлагаемый регуля-. тор для виброзащитного устройства,допол- нительно содержащий суммирующий усилитель 6,генератор 14 опорного сигнала, под1шюченньш выходом к одному из входов, суммирующего усилителя, другой вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, и. выход подклнзчен к входу .управления коэффициентом усиления усилителя (с регулируемым .усилением) , а блок сравнения вьшолнен в виде фазового детектора, позволяет повысить его точность и стабильность, что, в С.ВОЮ очередь, позволяет повысить эффективность и надежн ость работы виброзащитного устройства, для управления которым используется этот регулятор. Формула изобретения

Регулятор для виброэапщтного. устройства, содержащий вибровозбудитель.

соединениьп1 входом с выходом усилителя, подключентюго информационным входом к вьЕходу датчика возбуждающей силы и к входу первого полосового фильтра, соединенного выходом с первым входом блока сравнения, подключенного выходом к входу фильтра низких частот, а вторым входом через второй полосовой фильтр - к выходу датчика

суммарной силы, отличаю щий- с я тем, что,, с целью повьшения точности и стабильности регулятора, в него введены последовательно соеди- ненные генератор опорного сигнала и

суммирующий усилитель, подключенный вторым входом к выходу фильтра низких частот, а выходом - к входу управления коэффициентом усиления усилителя.

Изобретение относится к области машиностроения и судостроения и может быть использовано в составе активных виброзащитных систем, предназначенных для защиты человека, прецизионного оборудования и аппаратуры от вибрации машин и механизмов. Целью изобретения является повышение точности и стабильности регулятора. Поставленная цель достигается за счет того, что измеряют величину силы, возбуждающей колебания. Полученный сигнал усиливают и подают на исполнительный механизм, формирующий силу, компенсирующую колебания. Дополнительно изменяют величину суммы сил, возбуждающих и компенсирующих колебания. Полученные сигналы, пропорциональные компенсирующей и суммарной силам, фильтруют в полосовых фильтрах и сравнивают в фазовом детекторе. Из результата сравнения выделяют низкочастотную составляющую, которую суммируют с опорным и результирующим сигналами. Меняют коэффициент усиления основного контура регулирования. Опорный сигнал представляет собой периодический сигнал произвольной формы с частотой, меняющейся в заданных пределах по случайному или гармоническому закону относительно заданного среднего значения. Периодическое и симметричное относительно оптимального значения, равного 1, изменение коэффициента усиления основного контура регулирования регулятора позволяет осуществить эффективную широкополосную компенсацию возбуждающей силы и одновременную фазовую манипуляцию составляющих нескомпенсированной силы, действующей на защищаемый объект. Повышение точности и стабильности регулятора, в свою очередь, увеличивает эффективность и надежность виброзащитного устройства. Целесообразность применения такого регулятора для виброзащитного устройства возрастает с увеличением электрических и механических помех, действующих в активной виброзащитной системе. 2 ил.

фие.1

. II

M H LJII

К/ //

Jpzzz3 t: 4

IIZZZIZl / / / /

i I -4,.

LL 1

f

,I,t

-4

ХРХгUc

К

Tv:

и,г

Т. ед

.4.

v

.2 6/, IJ,2JL TfiTn

Фие.2

Jpzzz3 t: 4

/ / /

-4,

LL 1

f

,I,t

-4ХРХг2 // Д,

4-x-Ж,„ &;