Устройство для моделирования гистерезисных характеристик магнетиков и диэлектриков Советский патент 1992 года по МПК G06G7/25 G06G7/48 

W

ё

Сущность изобретения: устройство содержит три сумматора (1,2,3), два инвертора

ч 00 СО

ел

00

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для применения при исследовании методами аналогового моделирования электромеханических систем с элементами, выполненными из магнетиков и диэлектриков, особенно систем, в которых используются стрикционные свойства этих материалов.

Известно устройство для моделирования упругого гистерезиса, содержащее сумматор, два инвертора, два интегратора и два блока умножения 1, которое может быть использовано для моделирования гистере- зисных характеристик магнетиков и диэлектриков в слабых технических полях, когда ветви их ггетель гистерезиса достаточнбточно аппроксимируются квадратичными параболами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для моделирования петли гистерезиса, содержащее первый сумматор, первый и второй интеграторы, с первого по четвертый блоки умножения и блок выделения модуля. Информационный вход устройства соединен с первым входом первого сумматора, выхбд которого подключен к информационному входу первого интегратора, выход первого интегратора является первым выходом устройства. Информационный вход второго интегратора объединен с входом блока выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, а выход первого блока умножения соединен с вторым входом первого- сумматора. Выход второго интегратора, являющийся вторым выходом устройства, соединен с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения, а выход третьего блока умножения соединен с третьим входом первого сумматора 2J. Это устройство может быть использовано для моделирования гистере- зисных характерце гик магнетиков и диэлектриков в слабых и средних технических полях с учетом рассеяния энергии при их перемагничивании или переполяризации.

Общим недостатком известных устройств является то, что они не воспроизводят петель гистерезиса магнетиков и диэлектриков в сильных технических полях, т.е. не воспроизводят прямоугольных и предельных петель гистерезиса и петель типа бабочка стрикционного гистерезиса этих материалов. Это ограничивает .функциональные возможности устройств и область их применения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и области применения за счет воспроизведения прямоугольных и предельных петель гистерезиса и стрикционных петель типа бабочка. Устройство для моделирования гистерезисных характеристик магнетиков и диэлектриков содержит первый сумматор, первый и второй интеграторы, с первого по четвертый блоки умножения и блок выделения модуля, информационный вход устройства

0 соединен с первым входом первого сумматора, выход которого подключен к информа- ционному входу первого интегратора. Выход первого интегратора является первым выходом устройства, информационный

В вход второго интегратора объединен с входом блока выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения. Выход первого блока умножения соединен с вторым входом первого сум0 матора, выход второго интегратора, являющийся вторым выходом устройства, соединен с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения, а

5 выход третьего блока умножения соединен с третьим входом первого сумматора. В устройство введены второй и третий сумматоры, первый и второй инверторы, пятый блок умножения и блок зоны нечувствительно0 сти. Первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с первым входом и с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с информационным входом второго интегратора и

5 через первый инвертор с вторым входом третьего блока умножения. Выход первого интегратора подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого блока умноже0 ния, выход второго интегратора соединен с вторым входом второго блока умножения и через второй инвертор с первым входом четвертого блока умножения и с вторым входом третьего сумматора.

5 Выход четвертого блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора и с первым входом пятого блока умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора и с вхо0 дом блока зоны нечувствительности, выход которого соединен с пятым входом третьего сумматора. Выход второго блока умножения, являющийся третьим выходом устройства, подключен к вторым входам

5 четвертого и пятого блоков умножения.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 сумматоры, первый 4 и второй 5 инверторы, первый 6 и второй 7 интеграторы, первый 8, второй 9, третий 10, четвертый 11 и пятый 12 блоки умножения, блок выделения модуля 13 и блок зоны нечувствительности 14, Оно имеет информационный вход по сигналу скорости первого параметра Xt(t) и три выхода по сигналам соответственно второго X2(t), третьего Xs(t) и четвертого X(t) параметров состояния моделируемого материала.

Работу устройства рассмотрим на при- мере моделирования гистерезисных характеристик магнетиков.

В процессе моделирования сигнал скорости Xi(t) B(t) изменения первого параметра состояния Xi(t) B(t) моделируемого элемента из магнетика с индукцией B(t) со входа устройства 15 поступает на первые входы первого 1 и второго 2 сумматоров. С выхода первого сумматора 1 сигнал скорости изменения второго параметра состоя- ния X2(t) H.(t), соответствующего напряженности магнитного поля H(t) X2(t), поступает на информационный вход первого интегратора 6 и на второй вход второго сумматора 2, на выходе которого получают сигнал скорости изменения третьего параметра состояния Хз(т) KaiB(t) - K22H(t), где К21 и К22 - коэффициенты передачи второго сумматора 2 соответственно по первому и второму его входам, соответствующего на- магниченности l(t) ХзО) моделируемого элемента из магнетика.

С выхода первого интегратора б, служащего первым выходом устройства 16 по второму параметру X2(t) H(t), сигнал поступает на первый вход третьего сумматора, 3. С выхода второго сумматора 2 сигнал Хз(т.) i(t) поступает на информационней вход второго интегратора 7, вход первого инвертора

4и вход блока выделения модуля 13, с вы- хода которого сигнал |Хз(т.)1 M(t)l поступает на первый вход первого блока умножения 8. С выхода второго интегратора

7 сигнал Хз(т.) - l(t) поступает на второй выход устройства 17. вход второго инвертора

5и первый и второй входы второго блока умножения 9, с выхода которого сигнал Х4 (t) I2 (t) у (t), соответствующий стрик- цииу(т.), поступает на третий выход устройства 18, первый вход третьего блока умножения 10 и вторые входы четвертого 11

и пятого 12 блоков умножения. Сигнал с выхода второго инвертора 5 поступает на второй вход третьего сумматора 3 и первый вход четвертого блока умножения 11, с вы- хода которого сигнал Xs(t) X«(t) Xa3(t) l(t)x «у (t) I3 (х)поступает на третий вход третьего сумматора 3 и первый вход пятого блока умножения 12. С выхода последнего сигнал

Хз3(х) Xn(t) X35(t) l(t) у2 (t) 5 (t) поступает на четвертый вход и через блок зоны нечувствительности 14 на пятый вход третьего сумматора 3. Величина зоны нечувствительности блока 14 выбирается в соответствии с величиной максимальной (по модулю) намагниченности ± tm ± Хзт. С выхода третьего сумматора 3 сигнал поступает на второй вход первого блока умножения 8, с выхода которого сигнал поступает на второй вход первого сумматора 1.

С выхода первого инвертора 4 сигнал поступает на второй вход третьего блока умножения 10, с выхода которого сигнал поступает на третий вход первого сумматора 1. На выходе первого сумматора 1 получают сигнал скорости зменения второго параметра состояния Xa{t) Й(т.).

В результате в рассматриваемом случае на выходах 16, 17, 18 устройства вырабатываются сигналы соответственно напряженности H(t), намагниченности l(t) и стрикции у (т.), а при К21 1, К22 0 на втором выходе устройства 17 сигнал индукции B(t). Соотношения между этими сигналами в виде зависимостей В(Н), {Н) и у Н воспроизводят петли магнитного и стрикционного гистерезиса моделируемого элемента из магнетика.

Воспроизводимые устройством гисте- резисные характеристики магнетиков и диэлектриков описываются следующей системой уравнений:

X2(t) / Х2 (t) dt; Хз (t) / Хз (t) dt;

Х4 (t) X32(t); Хз(т.} KBUJXi(t) - KBHX2(t); X2 (t) K«Xi (t) - Кш X3(t) КшгХ2 (t) -КвХзМ- КпзХ33М- KnsXf(t)-Kri5 X35(t) - Квв Xs(t) X32(t);(1)

,X35(t)

Опри 1Х35(0 КЬнХ3т

ХЗ 5 (t) -K3H X3m при Хз 5 (t) X3 m .

X3 5 (t) + Кзн X3m пои Хз 5 (t) вн Хзт .

где Xi(t), X2(t), Хз(г), (t) - соответственно первый, второй, третий и четвертый параметры состояния материала;

Xi(t) - скорость изменения первого параметра fXi(t);

± Хзт - максимальное и минимальное значения зоны нечувствительности по сигналу, соответствующему Хз5(х);

Квш - коэффициент изменения высоты с обратным изменением ширины петли гистерезиса;

Квн - коэффициент обратного изменения наклонов верхней и нижней частей ветвей петли гистерезиса;

Кн - коэффициент обратного изменения наклона начального участка начальной кривой петли гистерезиса:

Квв - коэффициент изменения кривизны боковых ветвей петли гистерезиса (при Квв 0 - вогнутость, Квв 0 - выпуклость);

Кш - коэффициент изменения ширины петли (по сумме составляющих);

Кш2 - коэффициент изменения ширины петли гистерезиса по составляющей, про- порциональной второму параметру X2(t);

КБ - коэффициент обратного изменения наклона боковых ветвей петли гистерезиса (при КБ 0 - наклон от вертикали по часовой стрелке, КБ 0 - против часовой стрелки);

Кпз, Kris, Kns - коэффициенты изменения формы переходных участков боковых ветвей к загистерезисным участкам петли гистерезиса, соответственно по Хз (t), Хз (t) и X35(t);

Кзн коэффициент изменения зоны нечувствительности по Xa5(t).

Коэффициенты передачи KIJ используемых операционных блоков по их соответствующим входам j с учетом системы (1) можно найти с помощью следующих соотношений:

Кн мнКн,ф Ki2 мшКш, К1з МввКвв;

К21 МвшКвш; К22 МвнКвн:

Кз1 МШ2Кш2;(2)

Кз2 МБКБ; Кзз МпзКпз: Кзз MrisKns

Кзб Кзн МзнКзн, где М - обозначение соответствующего масштабного коэффициента;

КБН - коэффициент блока зоны нечув- ствительности

Формула изобретения Устройство для моделирования гистере- зисных характеристик магнетиков м диэлек- триков, содержащее первый сумматор первый и второй интеграторы, с первого по четвертый блоки умножения и блок выделения модуля, информационный вход устройства соединен с первым входом первого сумматора, выход которого подключен к информационному входу первого интегратора, выход первого интегратора является первым выходом устройства, информационный вход второго интегратора объединен с входом блока выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, а выход первого блока умножения соединен с вторым входом первого сумматора, выход второго интегратора, являющийся вторым выходом устройства, соединен с первым входом второго блока умножения , выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения, а выход третьего блока умножения соединен с третьим входом первого сумматора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и области применения путем воспроизведения прямоугольных и предельных петель гистерезиса и стрикционных петель типа бабочка, в него введены второй и третий сумматоры, первый и второй инверторы, пятый блок умножения и блок зоны нечувствительности, первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с первым вхбдом и выходом первого сумматора, а выход второго сумматора соединен с информационным входом второго интегратора и через первый инвертор - с вторым входом третьего блока умножения, выход первого интегратора подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого блока умножения, выход второго интегратора соединен с вторым входом блока умножения и через второй инвертор - с первым входом четвертого блЬка умножения и вторым входом третьего сумматора, выход четвертого блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора и первым входом пятого блока умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора и входом блока нечувствительности, выход которого соединен с пятым бходом третьего сумматора, а выход второго блока умножения, являющийся третьим выходом устройства, подключен к вторым входам четвертого и пятого блоков умножения.