Способ воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01M7/00 

9

(Л

сд

00 О)

со

HLiM спектром плотности мощности, подаваемый на вибровозбудитель 3, формируется как сумма трех компонентов, каждая из которых получается умножением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности MODI- ности на один и тот же периодический модулирующий сигнал, но сдвинутый на одну треть своего периода. ЭВМ 1 при помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает его в блок 2 генерации сигнала, который преобразует его в слу- чайный сигнал с заданным непрерьшным сптром плотности мощности, подаваемой на вход вибровозбудителя 3. Получаемый на выходе виброобразователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифро- вой преобразователь 5 подается в ЭВМ 1, где при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ, С помощью алгоритма управления спектральные характеристики выборки процесса, выдаваемой в блок 2 генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность сигнала с выхода вибропреобразователя 4 была близка к заданной. Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности работает под управлением ЭВМ 1о Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного периода модулирующих сигналов, которая не меняется в течение всего времени испытаний„ Перед началом испытаний в блок 20 памяти через блок 6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок генерации сигнала начинает непрерывно генерировать случайный сигнал, спектр плотности мощности которого будет изменяться только в моменты перезагрузки в блок 20 памяти новой базовой выборки, 2с.п„ и 5 3„По ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к испытательной технике. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости. Это достигается путем устранения модуляции сигнала по суммарной мощности и ограничения амплитудных выбросов. Аналоговый сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемый на вибровозбудитель 3, формируется как сумма трех компонентов, каждая из которых получается умножением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности мощности на один и тот же периодический модулирующий сигнал, но сдвинутый на одну треть своего периода. ЭВМ 1 при помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает его в блок 2 генерации сигнала, который преобразует его в случайный сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемой на вход вибровозбудителя 3. Получаемый на выходе виброобразователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифровой преобразователь 5 подается в ЭВМ 1, где при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ. С помощью алгоритма управления спектральные характеристики выборки процесса, выдаваемой в блок генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность сигнала с выхода вибропреобразователя 4 была близка к заданной. Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности работает под управлением ЭВМ 1. Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного периода модулирующих сигналов, которая не меняется в течение всего времени испытаний. Перед началом испытаний в блок 20 памяти через блок 6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок генерации сигнала начинает непрерывно генерировать случайный сигнал, спектр плотности мощности которого будет изменяться только в моменты перезагрузки в блок 20 памяти новой базовой выборки. 2 с.п. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам и устройствам воспроизведения спектра случайных вибраций, и может быть использовано в автоматизированных системах управления виброиспытаниями

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости путем устранения моду- лированности сигнала нагружения и ограничения амплитудных выбросов

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг о 2 - методик формирования сигнала нагружения; на фиг о 3 - теоретические исследования спектральных характеристик сигналов, полученных предлагаемым способом; на фиг.4 - результаты моделирования.

Способ осуществляют следующим образом.

Аналоговый сигнал с заданным не- прерьшным спектром плотности мощности, подаваемый на вибровоэбуди- тель, формируется как сумма трех компонент, показанных на фиг.2.

Y(t)-Y/t)+Y(t)Y3(t) ,

где Y(t) - случайный сигнал с заданным спектром плотности мощности;

Yj(t) - модулированные компоненты суммы.

Каждая из модулированных компонент получается умножением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности мощности, один период которого показан на верхней диаграмме фиг«2, на один и тот же периодический модулирующий сигнал, период которого показан на второй сверху диаграмме фиг.2, но сдвинутый на одну треть своего периода

YJ (t)-B(t+T, Г|) M(t+T(i-l)/3);

i - 1, 2, 3,

где В - базовый полигармонический сигнал;

М - модулирующий периодический сигнал; Тр - период В; Т. - период М;

. случайная величина, равномерно распределенная на интервале и,

В моменты времени, когда соответствующая модулирующая выборка про- ходит через ноль, что соответствует моментам времени ti, t2 и один раз за период величина . принимает новое случайное значение из интервала О, 1 .

5

В качестпе модулирующего используется периодический сигнал видя

M(t)a+bC (2Ht/T -t- ч),

где М - временной сигнал; а, Ь - константы;

Т - период модулирующегч) сигМ

нала;

t - время; - начальная фаза Причем начальная фаза if выбирается с таким расчетом, чтобы М(0) М(Т„) О,

Тов.

4 Arccos (-a/b),

Отношение a/b выбираются произвольно, с тем лишь условием, что а/Ь 1„ Это отношение, а также отношение определяет ширину и форму кривой размазывания каждой спектральной компоненты базового полигармонического сигнала,

С точки зрения оптимального приближения формы этой кривой к идеальной прямоугольной предлагается выбрать

а/Ь 0,6, тут J 2,307.

Устройство, осуществл 1ющее способ, содержит ЭВМ 1, выход которой подключен к входу блока 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности. Выход последнего подключен к возбудителю 3 колебаний. Сигна обратной связи снимается с объекта испытаний (не показан) вибропреобразователем 4, выход которого подключе к аналого-цифровому преобразователю 5. С выхода последнего дискретные выборки подаются в ЭВМ 1,

Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности является составным и содержит блок 6 управления, генератор 7 тактовых импульсов, генератор 8 случайных чисел первый 9, второй 10 и третий 11 регистры, первый 12, второй 13, третий 14, четвертый 15, пятый 16 и шестой 17 счетчики адреса, первый 18 и второй 19 коммутаторы, блок 20 памяти, блок 21 постоянного запоминающего усройства, цифровой умножитель 22, сумматор 23, четвертый регистр 24 и циф роаналоговый преобразователь 25, Причем первый вход блока 6 управления является входом блока 2 генерации синала с заданным спектром плотности мощности.

91

Выход retiepaTopn 7 тактовых импульсов подключен к тактовому входу блока 6 управления. Выход генератора 8 случайных чисел подключен к входам установки первого 12, второго 13 и третьего 14 счетчиков адреса. Выходы первого 9, второго 10 и третьего 11 регистров подключены соответственно

к входам установки четвертого 15,

пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса. Выходы переполнения которых подключены к входам стробов установки первого 12, второго 13 и третьего 14 счетчиков адреса соответственно. Их счетные выходы подключены к первому, второму и третьему входам первого коммутатора 18 соответственно, а счетные выходы четвертого 15,

пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса подключены к первому, второму и третьему входам второго ком гутато- ра 19 соответственно

Выход первого коммутатора 18 подключей к адресному входу блока 20 памяти, выход которого подключен к первому входу цифрового умножителя 22. Выход второго коммутатора 19 подключен к адресному входу блока 21 постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя 22„ Вход последнего подключен к первому входу сумматора 23, выход которого подключен к информационному входу четвертого регистра 24. Выход последнего подключен к второму входу сумматора 23 и информационному входу циф- роаналогового преобразователя 25.

Выходы с первого по пятый блока 6 управления подключены соответственно к управляющим входам первого 18 и второго 19 коммутаторов, адресно-информационному входу записи блока 20 памяти, входу строба записи четвертого регистра 24, установочному входу четвертого регистра 24 и управляющему входу цифроаналогового

преобразователя 25, выход которого является выходом блока 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощностиJ Шестой выход блока 6 управления подключен к счетным

входам первого 12, второго 13, третьего 14, четвертого 15, пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса, а его седьмой выход подключен к входам строба чтения блока 20 памяти и бло

ка 21 постоянного г апоминлющегс устрОЙСТВЗа

Устройство работает следующим образом,,

ЭВМ 1 при помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает в блок 2 генерации сигнала, который преобра- зует его в случайный сигнал с заданным непрерьшным спектром плотности мощности, подаваемый на вход вибровозбудителя 3,,

Получаемый на выходе вибропреоб- разователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифровой преобразователь 5 подается в ЭВМ 1, где при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ

С помощью алгоритма управления спектральные характеристики выборки процесса, выдаваемой в блок 2 генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность сигнала с выхода вибропреобразователя 4 была близка к заданной. Составной блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности paf OTaeT под управлением ЭВМ 1 ,

Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного периода модулирующих сигналов„Эта выборка не меняется в течение всего времени испытаний. Перед началом ис- пытаний в блок 20 памяти через блок 6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок 2 генерации сигнала начинает не прерьшно генерировать случайный сиг- нал, спектр плотности мопщости которого будет изменяться только в моменты перезагрузки в блок 20 памяти новой базовой выборки.

Генерация происходит следующим об разом.

Для генерации очередного цифровог кода, преобразуемого цифроаналоговым преобразователем 25 в уровень напряжния, производится последовательное считывание трех кодов из блока 20 памяти. Перед считыванием первого кода четвертьоЧ регистр 24 обнуляется. По сигналу с второго выхода блока 6 управления первый код, адрес которого с выхода первого счетчика 12 адреса через первьп коммутатор 18 поступает в блок 20 памяти, выдается на блок 22 умножения, который умножает его

0

5 0

, Q

на код, поступающий из блока 21 памяти. Адрес этого кода поступает на вход блока 21 постоянного запоминающего устройства через второй коммутатор 19 с выхода четвертого счетчика 15 адреса о Произведение с выхода умножителя 22 поступает на первый вход сумматора 23, на второй вход которого подается нулевой код с выхода четвертого регистра 24„ Таким образом, с выхода сумматора 23 произведение записывается в четвертьй регистр 24.

Далее по такому же принципу вычисляется произведение вторых кодов из блока 20 памяти и блока 21 постоянного запоминающего устройства. Причем адреса их поступают из второго 13 и пятого 16 счетчиков адреса соответственно о Однако на втором входе сумматора 23 теперь присутствует первое произведение, и в четвертый регистр 24 записывается сумма двух произведений. Аналогично вычисляется третье произведение, с той лишь разницей, что адреса для блоков 20 и 21 памяти принимаются из третьего 14 и шестого 17 счетчиков адреса соответственно .

Сумма трех произведений записывается в четвертый регистр 24 и по сигналу с пятого выхода блока 6 управления переписывается во входной регистр цифроаналогового преобразователя 25 о Одновременно с этим по сигналу с шестого выхода блока 6 управления адреса в первом 12, втором 13, третьем 14, четвертом 15, пятом 16, шестом 17 счетчиках адреса синхронно наращиваются на 1. Четвертый 15, пятый 16 и шестой 17 счетчики адреса циклические. При запуске блока 2 генерации сигнала в них с выходов первого 9, второго 10 и третьего II регистров соответственно заносятся коды 0,1/3L, 2/3L, где L - длительность цикла каждого счетчика, равного периоду модулирующей выборки. Таким образом, содержимое этих счетчиков, т.е. адреса для блока 21 памяти, соответствующие кодам для первого, второго и третьего произведений, всегда отличаются по модулю на одну и ту же величину - L/3.

Сигналы переполнения четвертого 15, пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса, отвечаюпще моментам времени, когда их содержимое равно О, (что соответствует моментам t, t, t, на

91

фиг,2), управляют занесением в пер- 12, второй 13 и третий 14 счетчики адреса кодов случайных адресов с выхода генератора 8 случайных чисел В ответствие сигналов переполнения эти счетчики наращиваются синхронно и циклически одновременно с четвертым 15, пятым 16 и шестым 17 счетчиками адреса. Длительность циклов первого 12, второго 13 и третьего счетчиков адреса одинакова. Отношение длительностей циклов этой группы счетчиков адреса к длительности циклов предыдуо;ей группы счетчико равно отношению периодов базовой и модулирующей выборок,

Таким образом, результирующий сигнал, выдаваемый на вибровозбудитель 3 блока 2 генерации сигнала, является суммой трех независимых случайных сигналов, модулированных по амплитуде. Независимость этих сигналов обеспечивается периодическими скачкообразными изменениями фазы порождающег базового сигнала.

Спектр плотности мощности каждой компоненты суммы, а следовательно, силы линейности преобразования Фурье и спектр плотности мощности результирующего сигнала определяются спектральными характеристиками конечной выборки полигармонического базового сигнала. Перезагрузка этой выборки может производится без остановки процесса генерации, что обеспечивает непрерывность процесса нагружения.

На фиГоЗ изображена кривая, полученная аналитически и характеризующая спектр плотности мощности сигнала, сгенерированного предлагаемым способом. Порождающая базовая выборка взята в виде полигармонического сигнала, содержащего четыре компоненты на частоте 4, 6, 7 и 8 Гц. На фиг о 4 представлен результат натурного моделирования по предлагаемому способу График получен при усреднении 1000 периодограмм модельного сигнала. Разрешение при анализе - 1/50 Гц

Результирующий сигнал, полученный указанным способом, имеет незначительную естественную модуляцию полной мощности на периодах,сравнимых с периодом порождающего базового сигнала, несмотря на то, что каждая из компонент суммы сильно модулирована по амплитуде и ее мощность на тех же периодах имеет большую дисперсию, Ре869110

зультаты моделирования показьшают, что при количестве гармоник в спектре порождающего сигнала, превьппаю- щим 8-10, результирующий сигнал имеет почти Гауссовское распределение.

Формула изобретения

01 о Способ воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности, заключающийся в том, что модулируют базовый полигармонический сигнал, определяющий спектраль- 5 ные характеристики случайной вибрации, из которого получают сигнал нагруже- HR4, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения помехоустойчивости путем устранения модулирован- 0 ности сигнала нагружения и ограничения амплитудных выбросов, модуляционный принцип рассредоточения мощности спектральных компонент базового полигармонического сигнала с дискрет- 5 ным спектром применяют к нескольким сигналам, порожденным этим базовым сигналом, сигнал нагружения образуют их суммированием

, 4, Способ по По3, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что соответствующие модулирующие сигналы сдвигают относительно порождающего их сигнала на ноль, одну треть и две трети его ne-5

I 11

риода соответственно ;UIH первом,второй и третьей компоненты суммы, которую образуют только из трех компонент.

5с Способ по п.4, о тли ч аю- щ и и с я тем, что в качестве низкочастотного сигнала, необходимого для получения модулируюо;их сигналов, используют периодический сигнал, содержащий две частотные компоненты: постоянную составляющую и синусоидальную гармонику, причем его период выбирают большим либо равным периоду базового полигармонического процесса о

6„ Способ по п„5, о т л li ч а ю- щ и и с я тем, что в качестве низкочастотного сигнала используют сигнал с отношением амплитуд г;остоян- ной составляющей к амплитуде синусоидальной гармоники, равным 0,6 и с отношением его периода к периоду базового сигнала, равным 2,307,

7„ Устройство для воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности, содержащее возбудитель колебаний, после- допательно соединенные вибропреобра- 30j атель, аналого-цифровой преобразователь иЗВМ, отличающее с я тем, что в него введены составной блок генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности, состоящий из блока управления, генератора тактовых импульсов, генератора случа шых чисел, первого, второго и третьего регистров, первого, второго и третьего счетчиков адреса,четвертого, пятого и шестого счетчиков адреса, первого и второго коммутаторов, блока памяти, блока постоянного запоминающего устройства, цифрового умножителя, цифрГ БОГо сумматора , четвертого регистра и цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу вибропреобразователя и является выходом составного блока генерации сигнала, причем первый вхо блока управления подключен к выходу ЭВМ и является входом составного блока генерации сигнала, выход генератора тактовых импульсов подключен к второму входу блока управления, выхо

1 2

генератора случайных чисел подключен к установочным входам первого, второго и третьего счетчиков, выходы первого, второго и третьего регистров подключены соответственно к установочным входам четвертого, пятого и шестого счетчиков, выходы переполнения которых подключены к входам

стробов установки соответственно первого, второго и третьего счетчиков, счетные выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого коммутатора,

а счетные выходы четвертого, пятого и шестого счетчиков подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго коммутатора, выход первого коммутатора подключен к первому входу цифрового умножителя, выход второго коммутатора подключен к адресному входу блока постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя, выход которого подключен к первому входу цифрового сумматора, выход которого подключен к информационному входу четвертого регистра, выход которого подключен к второму входу цифрового сумматора и информационному входу цифроаналогового преобразователя, первый выход блока уп35

равления подключен к управляющим вхо

дам первого и второго коммутаторов, второй выход блока управления подключен к адресно-информационному входу блока памяти, третий выход блока уп4Q равления подключен к входу строба записи четвертого регистра, четвертый выход блока управления подключен к установочному входу четвертого регистра, пятый выход блока уп45 равления подключен к управляющему входу цифроаналогового преобразователя, шестой выход блока управления подключен к счетным входам первого, второго, третьего, четвертого, пято50 го и шестого счетчиков, седьмой выход блока управления подключен к входам строба чтения блока памяти и блока постоянного запоминающего устройства.

Фил.1

базовой выборка

Модулирующая Выборка

1Чомпонента 1

Компонента 2

ГУ

e.i

Гц

w