Устройство для моделирования упругого гистерезиса Советский патент 1991 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть применено при решении на аналоговых вычислительных машинах задач динамики и прочности конструкций.

Цель изобретения - повышение точности моделирования.

На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для моделирования упругого гистерезиса; на фиг.2 - моделируемая петля гистерезиса; на фиг.З - временная диаграмма работы цепей управления,

Устройство для моделирования упругого гистерезиса содержит операционный усилитель (ОУ) 1, ключи 2-4, масштабный резистор 5, интегрирующий конденсатор 6, блок 7 нелинейности, сумматор 8 с запоминанием, аналоговый запоминающий блок 9, масштабные резисторы 10 и 11, блок 12 фиксации нуля, управляемый источник 13 напряжения, цепь 14 управления сумматором с запоминанием и элемент 15 задержки. Сумматор 8 с запоминанием включает ОУ 16, конденсатор 17, масштабный резистор 18, ключ 19, два форсирующих звена 20 и 21, каждое из которых содержит параллельно включенные резистор 22 и конденсатор 23. Аналоговый запоминающий блок 9 ьыпэп- нен на операционном усилителе 24, конденсатор 25, масштабном резисторе 26, ключе 27 и форсирующем эвене 28, состоящем из параллельно соединенных резистора 29 и конденсатора 30. Усилитель 1, резистор 5 и конденсатор б представляют собой интегратор 31. Кроме того, устройстйо содержит блок 32 вычисления1 потерь, включающий перемножители 33 и 34. ключи 35 - 38, интегратор 39, состоящий из операционного

О 4 |ь.

Б

усилителя 40, конденсатора 41 в цепи обратной связи и масштабного резистора 42 во входной цепи, сумматор 43 с запоминанием, аналоговый запоминающий блок 44 и цепь управления, состоящую из последовательно соединенных триггера 45 и схемы 46 сравнения, Сумматор 43 с запоминанием содержит операционный усилитель 47, конденсатор 48, масштабный резистор 49, ключ 50, три форсирующих звена 51 - 53, каждое из которых включает параллельно соединенные резистор 54 и конденсатор 55. Аналоговый запоминающий блок 44 полностью аналогичен блоку 9 и содержит операционный усилитель 56, конденсатор 57, масштабный резистор 58, ключ 59 и форсирующее зоено 60, состоящее из параллельно соединенных резистора 61 и конденсатора 62.

В устройстве в полном объеме воспроизводится алгоритм моделирования петли упругого гистерезиса. Дополнительно реализуется алгоритм определения потерь механической энергии, рассеиваемой за цикл колебаний. Вычисление рассеиваемой механической энергии осуществляется в процессе моделирования петли упругого гистерезиса. Как известно, этот процесс состоит из трех основных этапов; моделирование начального участка; моделирование нисходящей ветви и моделирование восходящей ветви. Для определения рассеиваемой механической энергии используются только два последних этапа, следующие один за другим в течение одного цикла колебаний.

Алгоритм определения рассеиваемой механической энергии основан на последовательном определении площадей двух геометрических фигур, составляющих петлю гистерезиса (фиг.2), каждая из которых образована воспроизводимой ветвью петли и прямой, соединяющей концы этой ветви. Рассеиваемая за цикл механическая энергия равна сумме двух вычисленных площадей.

Алгоритм определения рассеиваемой за цикл механической энергии может быть представлен в виде

«.

Ерас- в 2 3|макг,

1

где

tk + 1

Si 2 ( / f (с/2) Ј d t - f (t- 2) c ;

tk/

tk - моменты времени, когда Ј - 0; k « 1, 2

Рассмотрим работу устройства. В части моделирования петли гистерезиса функци

онирование устройства полностью аналогично прототипу. Для реализации алгоритма определения рассеиваемой за цикл колебаний механической энергии используются

5 информационные и управляющие сигналы, получаемые с блоков, моделирующих петлю гистерезиса.

На диаграмме напряжений, приведенной на фиг.З, обозначены: UBx - напряже10 ние, пропорциональное скорости деформации е ; Ua, Ub, Uc, Da, Ue, Uf- напряжения в точках a, b, с, d, e, f (фиг.1),

Исходное состояние схемы устройства соответствует этапу моделирования началь15 ного участка петли. В исходном положении ключи 2, 3, 27, 35, 36, 37 и 59 разомкнуты, а ключи 4, 19, 38 и 50 замкнуты. Напряжение, соответствующее скорости деформации Ј . поступает на вход устройства, При движе20 нии из точки покоя воспроизводится начальный участок петли, описываемый уравнением 7(t) f(Ј). Длительность этого этапа моделирования определяется промежутком времени от t 0 до t ti, при котором Ј 0.

25 В течение всего этапа блок 32 никаких вычислений не производит, так как ключи 35 и 36 на протяжении всего этапа разомкнуты. В момент времени t ti для перехода от моделирования начального участка петли к

30 моделированию нисходящей ветви производится переключение коэффициента передачи интегратора 31 и коэффициента передачи по первому входу сумматора 8. Управляющий сигнал с выхода управляемо35 го источника 13 напряжения, по которому производятся все эти переключения, используется для управления ключами 35 и 36. Ключ 35 замыкается, и сигнал с выхода блока нелинейности поступает на входы пере40 множителей 33 и 34. Одновременно на другие входы этих блоков поступают сигнал с выхода интегратора 31 и входной сигнал ЈГ соответственно. На выходах первого перемножителя 33 и интегратора 39 формируют45 ся составляющие площади Si. В момент t ti замыкается также ключ 36 и на вход триггера 45, включенного по схеме общего запуска, и второй вход схемы 46 сравнения поступает сигнал с выхода блока 12 фикса50 ции нуля. При этом на выходе схемы 46 сравнения вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на ключ 38. Ключ 38 размыкается. Наличие разрыва в цепи между сумматором 43 с запоминанием и анало55 говым запоминающим блоком 44 позволяет очистить содержимое обоих этих блоков пе- . ред началом процесса вычисления рассеиваемой за цикл механической энергии. По окончании сигнала с выхода блока 12 фиксации нуля напряжение на выходе схемы сравнения исчезает и ключ 38 вновь замыкается. Начинается процесс суммирования составляющих площади Si. На выходе сумматора 43 с запоминанием получаем нарастающее значение Si. При t 12 происходит переход от моделирования нисходящей ветви к моделированию восходящей ветви петли. Для перехода к новому этапу моделирования необходимо сохранить конечный результат предыдущего этапа на выходе сумматора 43. С этой целью в момент времени t t2, когда I 0, сумматор 43 с запоминанием с помощью своего ключа 50 переводится в режим запоминания, для чего на управляющий вход ключа 50 подается сигнал с выхода цепи 14 управления сумматором с запоминанием. После этого по сигналу с выхода элемента 15 задержки ключ 37 осуществляет сброс интегратора 39. а ключ 59 превращает аналоговый запоминающий блок 44 в масштабное звено, инвертирующее напряжение, поступающее на его вход через ключ 38 с выхода сумматора 43 с запоминанием, В момент времени t ta no сигналу i 0 производится возврат схемы в рабочее состояние для моделирования восходящей ветви. Сначала в исходное состояние возвращаются интегратор 39 и блок 44 (АЗУ), на выходе которого теперь хранится максимальное значение площади Зтмакс. получен н о и на предыдущем этапе м о - делирования. После этого в исходное состо- яние - режим суммирования - возвращается сумматора 43 с запоминанием. В ходе этих переключений напряжение на выходе схемы 46 сравнения не изменяется и ключ 38 остается замкнутым. Начинается этап моделирования восходящей ветви до момента времени t t3. при котром Е 0. На первый и второй входы сумматора 43 поступают составляющие площади 5з. а на третий вход сумматора с выхода олока 44 подается З-ыэкс. На выходе сумматора 43 формируется нарастающее значение суммарной площади S, определяющее рассеяние механической энергии за полный цикл колебаний. В момент t ta на выходе сумматора 43 имеем 5 51мдкс + 5змакс. Этот результат поступает на регистрирующее устройство (не показано). В момент t ts снова появляется управляющий сигнал на выходе схемы 46 сравнения. Ключ 38 вновь размыкается. Теперь в процессе подготовки всего устройства к следующему этапу моделирования - воспроизведению нисходящей ветви петли - не происходит передачи сигнала с выхода сумматора 43 на вход блока 44. В результате этого к началу нового цикла

колебаний напряжения на выходах обоих блоков 43 и 44 равны нулю. Процесс вычисления рассеиваемой механической энергии в новом цикле колебаний повторяется. Формула изобретения

1.Устройство для моделирования упругого гистерезиса по авт.св. № 966708, отличающееся тем, что, с целью повышения точности моделирования, устройство

0 содержит блок вычисления потерь, вход по деформации которого соединен с выходом интегратора, вход по механическому напряжению подключен к выходу блока нелиней5 ности, вход по скорости деформации соединен с входом устройства, выход блока фиксации нуля подключен к информационному входу блока вычисления потерь, вход которого подключен к выходу управляемого

0 источника напряжения, вход запоминания составляющей потерь гистерезиса по нисходящей ветви блока вычисления потерь соединен с выходом цепи управления сумматором с запоминанием, вход управления

5 переходом к моделированию восходящей ветви гистерезиса блока вычисления потерь подключен к выходу элемента задержки.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок вычисления потерь состоит

0 из первого и второго перемножителей, интегратора, сумматора с запоминанием, аналогового запоминающего блока, четырех ключей, последовательно соединенных триггера и схемы сравнения, вход по дефор5 мации блока соединен с первым входом первого перемножителя, второй вход которого объединен с первым входом второго перемножителя и подключен к выходу первого ключа, информационный вход которого

0 является входом по механическому напряжению блока, вход по скорости деформации которого соединен с в горым входом второго перемножителя, информационный вход блока соединен с информационным входом

5 второго клюиа, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключа и входом блокировки блока, вход запоминания составляющей потерь гистерезиса по нисходящей ветви которого

0 подключен к входу разрешения суммирования сумматора с запоминанием, а вход управления переходом к моделированию восходящей ветви гистерезиса - к управляющим входам третьего ключа, подключен5 ного в цепь обратной связи интегратора, и управляющему входу аналогового запоминающего блока, выход первого перемножителя соединен с первым входом сумматора с запоминанием, выход второго перемножителя подключен к входу интегратора, выход которого соединен с вторым входом сумма

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике. Устройство позволяет моделировать петлю упругого гистерезиса и вычислять площадь моделируемой петли, которая определяет величину потерь механической энергии за цикл колебаний при циклических деформациях. Цель изобретения - повышение точности моделирования. Для этого в устройство дополнительно введен блок оценки потерь механической энергии, который состоит из двух перемножителей, ключей, интегратора, сумматора с запоминанием, аналогового запоминающего блока, триггера и схемы сравнения. Для управления работой блока оценки используются информационные и управляющие сигналы, получаемые с выходов блоков, моделирующих петлю гистерезиса, а также управляющий сигнал, образующийся на выходе схемы сравнения. По значению площади петли для тестового сигнала может производиться подстройка блоков устройства, что позволяет повысить точность моделирования петли упругого гистерезиса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.