Устройство для моделирования гистерезисных характеристик магнетиков и диэлектриков Советский патент 1993 года по МПК G06G7/25 G06G7/48 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для применения при исследовании методами аналогового моделирования электромеханических систем с элементами из магнетиков и диэлектриков с учетом их петель гистерезиса с изломами. Особенно, стрикционных приводов с учетом смещенных стрикционных и дельта К - эффекта гистерезмсных петель типа Бабочка их исполнительных элементов,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и области применения за счет воспроизведения петель гистерезиса с изломами, а также смещенных однополярных и двуполярных стрикционных и дельта Е-эффекта гистерезисных петель типа Бабочка.

На фиг. 1 представлен чертеж схемы выполнения изобретения.

На фиг. 2-8 приведены примеры результатов моделирования. Напряжениями UX2, Ux3

и Ux4 (в вольтах) обозначены сигналы устройства, соответствующие второму X2(t), третьему Xa(t) и четвертому X(t) параметрам состояния моделируемого элемента из магнетика или диэлектрика. Входной сигнал устройства, соответствующий скорости Xi(t) изменения первого параметра состояния Xi(t), изменялся по симметричному гармоническому закону с частотой 1 /сек и амплитудами 7 (фиг. 2), 9 (фиг. 3) и ТО (фиг. 4-7) вольт. На фигурах 26-76 представлены смещенные однополярные (без перемены знаков, фиг. 26-46) и двуполярные (с переменой знаков, фиг. 56, 66) стрикцион- ные и двуполярные дельта Е-эффекта (фиг. 76) гистерезисные петли типа Бабочка. На фигуре 8 приведена таблица со значениями коэффициентов передачи используемых в устройстве операционных блоков, при которых были получены эти примеры результатов моделирования.

СО

с

оо

СА) О СЛ CJ

ю

Устройство содержит первый 1 и второй 2 интеграторы, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 блоки умножения, первый 9, второй 10 и третий 11 инверторы, первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 сумматоры, первый 16 и второй 17 блоки выделения модуля, информационный вход устройства (18), по сигналу, соответствующему скорости Xi(t) изменения первого параметра состояния Xi(t), первый, второй и третий выходы устройства 19. 20, ,21 по сигналам, соответствующим второму X2(t), третьему Xa(t) и четвертому X4(t) параметрам состояния моделируемого элемента из магнетика или диэлектрика. Каждый из блоков выделения модуля может быть, например, выполнен на блоке идеального диода и сумматоре.t

Вход устройства по сигналу Xi(t) соединен с первыми входами первого 12 и второго 13 сумматоров. Выход первого сумматора 12 соединен со вторым входом второго сумматора 13, входами второго блока выделения модуля 17 и первого интегратора 1, выход которого, служащий первым выходом устройства по сигналу X2(t), подключен к первым входам третьего сумматора 14, пятого 7 и шестого 8 блоков умножения, а через третий инвертор 11 ко второму входу пятого блока умножения 7, который своим выходом подключен к первому входу четвертого сумматора 15. Выход второго блока модуля 17 соединен со вторым входом шестого блока умножения 8, выход которого подключен к четвертому входу первого сумматора 12. Выход второго сумматора 13 соединен с входами первого блока выделения модуля 16 и второго интегратора 2, а через первый инвертор 9 с первым входом третьего блока умножения 5. Выход второго интегратора 2, служащий вторым выходом устройства по сигналу Xa(t), подключен к обоим входам первого блока умножения 3. а через второй инвертор 10 ко второму входу третьего сумматора 14 и к первому входу второго блока умножения 4. Выход первого блока умножения 3 соединен со вторыми входами второго 4 и третьего 5 блоков умножения и четвертого сумматора 15, выход которого служит третьим выходом устройства по сигналу ). Выход третьего блока умножения 4 подключен к третьему входу третьего сумматора 14, выход которого сое- дмнен с первым входом четвертого блока умножения 6, который своим вторым входом подключен к выходу первого блока выделения модуля 16, а выходом ко второму входу первого сумматора 12, у которого третий вход соединен с выходом третьего блока умножения 5.

В процессе моделирования сигнал Xi(t), соответствующий скорости изменения первого параметра состояния Xi(t) моделируемого элемента из магнетика или

диэлектрика, со входа устройства поступает на первые входы первого 12 и второго 13 сумматоров. С выхода первого сумматора 12 сигнал X2(t), соответствующий скорости изменения второго параметра состояния Xa(t),

0 поступает на входы первого интегратора 1, второго блока выделения модуля 17 и на второй вход второго сумматора 13. В результате интегрирования с выхода первого интегратора 1, служащего первым выходом

5 устройства по сигналу Xafr), этот сигнал поступает на первые входы третьего сумматора 14, пятого 7 и шестого 8 блоков умножения, а через третий инвертор 11 на второй вход пятого блока умножения 7, с

0 выхода которого сигнал, соответствующий Х2 (t), подают на первый вход четвертого сумматора ,15. С выхода второго сумматора 13 сигнал Xa(t). соответствующий скорости изменения третьего параметра состояния

5 ХзСО, поступает на входы первого блока выделения модуля 16 и второго интегратора 2, а через первый инвертор 9 на первый вход третьего блока умножения 5. В результате интегрирования с выхода второго интегра0 тора 2, служащим вторым выходом устройства по сигналу X3(t), этот сигнал поступает на оба входа первого блока умножения 3 и через второй инвертор 10 на второй вход третьего сумматора 14 и первый вход второ5 го блока умножения 4. С выхода первого блока умножения 3 сигнал Хз (т.) подают на вторые входы второго 4 и третьего 5 блоков умножения и четвертого сумматора 15, выход которого служит третьим выходом уст0 ройства по сигналу X4(t). С выхода второго блока умножения 4 сигнал Хз (t) поступает на третий вход третьего сумматора 14, с выхода которого сигнал результата алгебраического суммирования подают на первый

5 вход четвертого блока умножения 6, на второй вход которого поступает сигнал)Хз(1) 1с выхода первого блока выделения модуля 16. Сигнал результата умножения с выхода четвертого блока умножения 6 подают на вто0 рой вход первого сумматора 12, на третий вход которого поступает сигнал с выхода третьего блока умножения 5. С выхода второго блока выделения модуля 17 еигнал Х2(т.)| подают на второй вход шестого блока умно5 жения 8, с выхода которого сигнал произведения) X2(t)|X2(t) поступает на четвертый вход первого сумматора 12.

В результате этого, устройство воспроизводит гистерезисные характеристики магнетиков и диэлектриков, описываемые в

общем виде следующей феноменологической системой интегродифференциальных уравнений:

X2(t) /X2(t)dt; ХзЮ - /X3(t)dt;

(1)

X2(t) KHXi(t) + КввХз(1)Хз2(1) +

+ MX2(t)X2(t)-Ku,lX3(t)|x

x Кш2Х2(0 - KBX3(t) - КпэХз3(1);

X4(t) Kx3X32(t)-Kx2X22(t);

X3(t)K8U1Xl(t)-KBHX2(t), где Xi(t). X2(t), Хз(г), X4(t) - соответственно первый, второй, третий и четвертый параметры состояния;

Xi(t) - скорость изменения Xi(t);

Кх2, КхЗ - коэффициенты пропорциональности составляющих X4(t) квадратам X2(t) и X3(t);

Каш коэффициент изменения высоты петли гистерезиса с обратным изменением ее ширины;

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

Кн - коэффициент обратного изменения наклона начального участка начальной кривой петель;

Кш коэффициент изменения ширины петли гистерезиса по сумме ее составляющих;

КШ2 коэффициент изменения ширины петли гистерезиса по составляющей, пропорциональной 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 - коэффициент изменения формы переходных участков боковых ветвей петли гистерезиса к загистерезисным участкам;

Квв - коэффициент изменения формы боковых ветвей петли гистерезиса (при Квв 0 - вогнутые, Квв 0 - выпуклые);

Киэ коэффициент изменения формы излома при переходе к боковым ветвям петли гистерезиса.

При составлении системы (1) использованы имитационные, экспериментально- статистические математические модели, разработке которых в технике магнетиков и диэлектриков уделяется достаточно большое внимание.

В предлагаемом устройстве моделируемые физические переменные отображаются электрическими напряжениями, поэтому коэффициенты передачи Кц используемых операционных блоков I по их соответствующим входам J с учетом системы (1) можно найти из следующих соотношений:

Ki2i - МНКН; Кш МШКШ; Kiaa - МввКвв:

Кш - МиэКиэ Ki31 МвшКвш,

Ki32 - мв„квн;(2)

Ki4i - Мш2Кш2: Ki42 МбКб; Кш МпэКпз;

5К151 Мх2Кх2: К152 - МхЗКхЗ,

где М - обозначение соответствующего масштабного коэффициента.

Выбор масштабных коэффициентов системы (2) определяется как диапазонами из10 менения моделируемых физических параметров и переменных, так и величинами максимальных рабочих напряжений используемых АВМ. выбором масштабов времени и моделируемых переменных. С на15 именьшей трудоемкостью задача масштабирования может быть решена непосредственно в процессе набора и настройки предлагаемого вычислительного устройства.

20 В качестве базового объекта выбран прототип. Работоспособность устройства была проверена в составе АВМ гибридной системы Русалка. Сопоставление этих результатов с экспериментальными данными

25 работ показывает, что предлагаемое техническое решение работоспособно и по сравнению с известными решениями расширяет область применения АВМ при исследовании динамики электромеханических систем

30 во всем многообразии процессов перемаг- ничивания и переполяризации их элементов из магнетиков или диэлектриков в любых технических полях. Особенно, стрикцион- ных приводов.

35

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

Устройство для моделирования гистере- зисных характеристик магнетиков и диэлек40 триков, содержащее первый и второй интеграторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки умножения, первый и второй инверторы, первый, второй и третий сумматора, первый блок выделения модуля,

45 информационный вход устройства подключен к первым входам первого и второго сумматоров, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора и входом первого интегратора, выход ко50 торого, являющийся первым выходом устройства, подключен к первому входу третьего сумматора, выход второго сумматора соединен с входами первого блока выделения модуля и второго интегратора, а

55 через первый инвертор с первым входом третьего блока умножения, выход второго интегратора, являющийся вторым выходом устройства, подключен к обоим входам первого блока умножения, а через второй инвертор к второму входу третьего сумматора

и к первому входу второго блока умножения, выход первого блока умножения соединен с вторыми входами третьего и второго блоков умножения, выход последнего подключен к третьему входу третьего сумматора, выход которого соединён с первым входом четвертого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока выделения модуля, а выход соединен с вторым входом первого сумматора, третий вход которого подключен к выходу третьего блока умножения,отличающееся тем,что, с целью расширения функциональных возможностей и области применения за счет воспроизведения петель гистерезиса с изломами, а также смещенных однополярных и двуполярных стрикционных и дельта Е-эффекта гистерезисных петель типа Бабочка, в него введены шестой блок умножения, третий инвертор, четвертый сумматор и второй блок выделения модуля, причем выход

первого интегратора подключен к первым входам пятого и шестого блоков умножения, а через третий инвертор к второму входу пятого блока умножения, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого блока умножения, а выход является третьим выходом устройства, выход первого сумматора соединен с входом второго блока выделения модуля, выход которого подключен к второму входу шестого блока умножения, у которого выход соединен с четвертым входом первого сумматора.

Устройство для моделирования гистере- зисных характеристик магнитов и диэлектриков относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для применения при исследовании методами аналогового моделирования электромеханических систем с элементами из магнетиков и диэлектриков с учетом их петель гистерезиса с изломами. Сущность изо- бретения: устройство содержит два интегратора 1, 2, шесть блоков умножения 3-8, два инвертора 10,11, четыре сумматора 12, 13, 14, 15, два блока выделения модуля 16, 17, информационный вход 18 устройства, три.выхода 19-21 устройства. 18-12-1- 8-12-13-2-3-5-12-17-8, 18-13-16-6-12, 13-9-5.2-3-4-14-6,2-10-14,2-20,10-4,3- 15-21. 1-14, 1-11-7-15, 1-19, 1-7. 8 ил.

Фиг.1

Фиг. З.

j L/X2)6

2,6

«t/«.e

Фиг. 8.