Устройство для воспроизведения неоднозначных функций типа петли гистеризиса Советский патент 1992 года по МПК G06G7/25 

Изобретение относится к автоматике, моделирующей технике и пьезоэлектронике и может быть использовано в автоматических системах, включающих элементы с гистерезисом, такие как линейные пьезодвигатели, пьезомикрокзлькуляторы, упругодемпфирующие элементы и другие, а также при моделировании этих и других физических систем.

Известно устройство для воспроизведе-. ния гистерезисных функций, содержащее двухканальный аналоговый логический элемент, выполненный в виде компаратора, первый вход которого является информационным входом устройства, а выход подключен к управляющим входам двух переключателей, подсоединенных выходами устройства, и первый, второй и третий источники задающих напряжений, второй вход компаратора соединен с выходом первого переключателя, выход первого, второго и третьего источников задающих напряжений подсоединены соответственно к первому и второму информационным входам первого переключателя и к одному из информационных входов второго переключателя, другой информационный вход которого соединен с первым входом компаратора.

Указанное устройство обладает следующими недостатками: пониженная точность

Ч

Jt

со

ю -N

воспроизведения петли гистерезиса вследствие того, что реальная петля гистерезиса включает частные циклы, относительно узкая область применения из-за невозможности моделировать гистерезисные функции механизмов, кроме того, невозможно учесть условия внешней среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее последовательно включенные суммирующий нелинейный элемент с характеристикой зоны нечувствительности, интегратор, двухвходовый сумматор, два нелинейных элемента ограничения, а также масштабный усилитель. ,

Недостатками известного устройства

являются низкая точность воспроизведения петли гистерезиса вследствие того, что реальная петля гистерезиса включает предельные и частные циклы, кроме того, в случае моделирования петли диэлектрического гистерезиса (ЛДГ) либо петли электромеханического гистерезиса (ПЭМГ), присущих линейным пьезоэлектрическим двигателям и микроманипуляторам, невозможно учесть внешние факторы, влияющие на форму и ширину петли гистерезиса.

Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения путем воспроизведения частных и предельного циклов петли гистерезиса.

В устройство для воспроизведения не-: однозначных функций типа петли гистерезиса, содержащее последовательно включенные суммирующие нелинейный элементе характеристикой зоны нечувствительности, первый информационный вход которого является входом устройства, интегратор, нелинейный элемент ограничения и двухвходовый сумматор, выход которого является выходом устройства, введен блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса, первый информационный вход которого соединен с первым входом двухвходового сумматора и с входом устройства, второй информационный вход подключен к выходу интегратора, второму информационному входу суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зо- ны нечувствительности и к входу нелинейного элемента ограничения, а прямой и инверсный выходы подключены соответственно к входам положительного и отрицательного опорных напряжений суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зоны нечувствительности, выход нелинейного элемента ограничения соединен с вторым входом двухвходового сумматора.

Блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса выполнен в виде пяти масш- табных сумматоров, трех элементов выделения модуля и масштабного усилителя. вход которого соединен с выходом первого элемента выделения модуля, подключенного входом к инверсному входу первого масштабного сумматора, прямой вход которого и выход первого элемента

выделения модуля являются соответственно первым и вторым информационным входами блока, выход первого масштабного сумматора подключен к прямому входу второго и первому прямому- входу третьего

масштабных сумматоров, инверсный вход и второй прямой вход которых объединены и соединены с выходом масштабного усилителя, выходы второго и третьего масштабных сумматоров подключены

соответственно к входам второго и третьего элементоа выделения модуля и к прямому входу пятого и первому прямому входу .четвертого масштабных сумматоров, второй прямой вход четвертого и инверсный вход пятого масштабных сумматоров соединены с выходами соответственно второго и третьего элементов выделения модуля, а их выходы являются соответственно прямым и инверсным выходами блока.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема блока вычисления; на фиг. 3 - статическая характеристика линейного пьезоэлектрического двигателя - ПЭМГ, получаемая при помощи предлагаемого устройства.

На фиг. 1 и 2 показаны суммирующий нелинейный элемент 1 с переменной характеристикой зоны нечувствительности, интегратор 2. двухвходовой масштабный сумматор 3, нелинейный элемент 4 ограничения, блок 5 вычисления неоднозначности петли гистерезиса, масштабные сумматоры 6-10, Элементы 11-13 выделения модуля, масштабный усилитель 14.

Устройство работает следующим образом.

Петля гистерезиса аппроксимируется отрезками прямых (фиг. 3). Уравнение, описывающее петлю гистерезиса по участкам,

следующее:

Увых - 0,5 В (UAI - ид2) + В X XUBX-0. (В - R) (Ux - UAI) - -U| + (UBX - UA2) RI - I (В - R) X

X (Ux - UAI) - Uf + (UBX - UAI) R I ,

0)

где ивых - выходное напряжение устройства:

UЈ- выходное напряжение интегратора 2; .. . ... ..

В - коэффициент передачи на участках I и III, пропорциональный tg a ;

R - коэффициент передачи на участках II, VI и VII, пропорциональный tg -/3;

UBX - входное напряжение устройства;

UAI - напряжение границы петли гистерезиса нисходящего склона, вычисляемое в блоке 5 вычисления;

UA2 -напряжение границы петли гистерезиса восходящего склона, вычисляемое в блоке 5 вычисления.

Напряжения UAI и UA2 , определяющие зону нечувствительности нелинейного элемента 1, определяются уравнениями

UAI Ј mm (G , - о) Q5(G- D- |G + Dl); (2)

Ј max (G . D) 05(0 + D+ |G- D|) ,

(3)

гдеG С Uex - UЈ:

|UЈI ;

С- коэффициент передачи масштабного сумматора 12 по первому входу, равный (S-R);

А - коэффициент передачи, равный (В-

R):

S - коэффициент передачи на участках IV и V, пропорциональный tg у;

С-А

- коэффициент передачи мае-

штабного усилителя 14.

Предельный цикл петли гистерезиса учитывается в виде

3fc 5fc

UAI , если UAI - UAI макс - со, если UAI 5 -UAiMaKc,

(4)

UA2

UA2 , еСЛИ UA2 UA2M3KC

J (5)

- 00 , если UA2 5: UA2M3KC .

0

На основании выражений (2) - (5) реализуется блок 5 вычисления. Указанные выражения и схемные решения позволяют воспроизвести петли диэлектрического гистерезиса и электромеханического гистерезиса, даже если они имеют несимметричный вид. Для учета этой особенности петель коэффициенты В, R. S, A 5 имеют функциональную зависимость. Расчет их производится на ЭВМ с использованием методов параметрической идентификации. При этом точность воспроизведения петли обуславливается только схемотехникой электронных блоков устройства.

Воспроизведение петли гистерезиса начинается с воспроизведения-основной кривой петли - участок О-l (фиг. 3) или уча- 5 сток 0-III в зависимости от UBX. В этом случае в начальный момент времени, когда , , U , то и . Затем, когда UBX станет, например, больше нуля, то U2 Bi Uex. Сигнал U2 подается на интегратор 2 и интегрируется до тех пор, пока не выпол1

0

0

нится равенство UBX

Р UЈ. В это же

время UBX поступает на вход масштабного сумматора 6 блока 5 вычисления неоднородности петли гистерезиса 5, a UЈ - на второй инверсный вход масштабного сумматора 6 и вход элемента 11 (фиг. 2).

На выходе масштабного сумматора 6 получают сигнал UBx- U Ј , а на выходе

масштабного усилителя 14 - сигнал

С - А D -д-|UЈ| . Сигнал G поступает на

первый вход масштабного сумматора 7 и второй вход масштабного сумматора 8, а сигнал D - на первый вход масштабного сумматора 8 и второй инверсный вход сумматора 7, В результате на выходе масштабного сумматора 7 получают сигнал, равный G-D, а на выходе сумматора 8 - сигнал, равный G+D. Сигнал G+D поступает на вход . блока 13 выделения модуля и второй вход сумматора 9. Сигнал G-D поступает на вход блока 12 выделения модуля и прямой вход масштабного сумматора 10. С выхода блока 12 выделения модуля сигнал G-D поступает на первый вход сумматора 9, а с выхода блока 13 выделения модуля сигнал G+D - на инверсный вход масштабного сумматора 10. С выхода сумматора 9 лолучают сигнал

,5 -Ј(G+ D+ IG-DI), а с выхода сумматора 10 - сигнал ,5 i (G-D- IG+ DI).

При медленном изменении входного сигнала UBX выходной сигнал устройства иеых изменяется в соответствии со статической характеристикой - ПЭМГ линейного пьезоэлектрического двигателя (фиг. 3).

При быстром изменении входного сигнала ширина гистерезиса модели может быть учтена настройкой коэффициента В. Скорость заряда и разряда интегратора 2 зависит от величины В, величины рассогласования Увх-т UЈ. Поэтому отставание выходного сигнала зависит также и от скорости изменения и.величины входного сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет воспроизводить ПЭМГ или ПДГ, присущие линейным пьезоэлектрическим двигателям и микроманипуляторам с точностью до 0,01.%.

Формула изобретения

1 Устройство для воспроизведения неоднозначных функций типа петли гистерезиса, содержащее последовательно включенные суммирующий нелинейный элемент с характеристикой зоны нечувстви- тельности, первый информационный вход которого является входом устройства, интегратор, нелинейный элемент-ограничения и двухвходовый сумматор, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения путём воспроизведения частных и предельного циклов, в него введен блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса, первый информационный вход которого соединен с первым входом двухвходового сумматора и с входом устройства, второй информационный вход подключен к выходу интегратора, второму информационному входу суммирующего нелинейного элемента с характеристикой

зоны нечувствительности и к входу нелинейного элемента ограничения, а прямой и инверсный выходы подключены соответственно к входам положительного и отрицательного опорных напряжений суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зоны нечувствительности, выход нелинейного элемента ограничения соединен с вторым входом двухвходового сумматора.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щее- ся тем, что блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса выполнен в виде пяти масштабных сумматоров, трех элементов выделения модуля и масштабного усилителя, вход которого соединен с выходом первого элемента выделения модуля, подключенного входом к инверсному входу первого масштабного сумматора, прямой вход которого и вход первого элемента выделения модуля являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, выход первого масштабного сумматора подключен к прямому входу второго и первому прямому входу третьего масштабных. сумматоров, инверсный вход и второй прямой вход которых объединены и соединены с выходом масштабного усилителя, выходы второго и третьего масштабных сумматоров подключены соответственно к.

входам второго третьего элементов выделения модуля и к прямому входу пятого и первому прямому входу четвертого масштабных сумматоров, второй прямой вход четвертого и инверсный вход пятого

масштабных сумматоров соединены с выходами соответственно второго и третьего элементов выделения модуля, а их выходы являются соответственно прямым и инверсным выходами блока.

%

Изобретение относится к автоматике, моделирующей технике и пьезоэлектронике и может быть использовано в автоматических системах, включающих элементы с гистерезисом, такие как линейные пьезодвигатели, пьезомикрокалькуНяторы, упругодемпфирующие элементы и др., а также при моделировании этих и других физических систем. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения за счет воспроизведения частных и предельного циклов. Поставленная цель достигается благодаря введению в устройство блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса, а также определенному выполнению данного блока. Наличие в составе устройства блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса позволяет учесть зависимость ширины петли диэлектрического гистерезиса и петли электромеханического гистерезиса от температуры окружающей среды и частоты управляющего напряжения,-а также других факторов, влияющих на форму петли гистерезиса. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. (Л С