Система для моделирования широкополосныхСлучАйНыХ ВибРОпРОцЕССОВ Советский патент 1981 года по МПК G06N7/08 

1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве специализированной цифровой аппаратуры для воспроизведения случайных вибраций при исследовании надежности с помощью вибростендов .

Известна аппаратура управления вибрационными установками СУВУ-ШСВ-2 СУВУ-ШСВ-3 и ПУВУ-ШСВ ВД.

Однако она отличается громозд.костью структуры. Для реализации подобных систем управления вибрационными установками необходимы больщие аппаратурные затраты. Увеличение стабильности основных характеристик СУВУ-ШСВ-2, СУВУ-ШСВ-3 и ПУВУ-ШСВ достигается за счет существенных конструктивных улучшений отдельных узлов аппаратуры. Наиболее существенным недостатком является невозможность построения подобнь1х сие- / тем для генерирования инфранизкочастотных широкополосных случайных вибропроцессов ввиду реализации их на аналоговых элементах.

Известна аппаратура, построенная на базе нерекурсивного цифрового фильтра, отличающаяся стабильностью основных характеристик, так как реализуется на дискретных элементах. Кроме того, использование цифровой фильтрации позволяет получать инфранизкочастотные случайные вибропроцессы 2 .

Однако в то же время подобная ап паратура, снижает точность задания требуемого спектра ввиду отсутствия обратной связи, осуществляющей под0держание определенной спектральной плотности мощности на выходе системы.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является сис5тема для моделирования широкополосных случайных вибропроцессов, содержащая преобразователь аналог-код, процесаор для преобразования из частотной области во временную, схему.

0 сравнения, блок эталонных значений, множительное устройство, генератор псевдослучайных чисел., процессор для преобразования из временной области в частотную, блок рандомизации,

5 блок сглаживания, преобразователь код-аналог, а также вибростенд с исследуекцлм объектом и вибродатчиком 3 .

Использование в системе управле0ния вибрациями детерменированных алгоритмов преобразования информации из частотной области -во временную не позволяет получать истинно случайный вибропроцесс, а также является сложным. Цель изобретения - упрощение системы. Для достижения поставленной цели в систему для моделирования широкополосных случайных вибропроцессов, содержащую генератор псевдослучайных чисел и последовательно соединенные дйфроаналоговый преобразователь, источник вибраций и аналого-цифровой преобразователь, к первому и второму входам блок-а сравнения подключены выходы блока эталонных значе ний и преобразователь время-частота введены коррелометр, блок коррекции коэффициента, оперативное запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр, генератор равновероятной двоичной цифры и коммутатор, при чем блок сравнения, блок коррекции коэффициентов, оперативное запоминаю щее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно а выход генератора псевдослучайных чисел подключен к первым входам комг«1утатора и коррелометра, второй вход коммутатора подключен к выходу генератора равновероятной двоичной цифры, а выход коммутатора подключен к управляю щему входу цифрового нерекурсивного фильтра, выход аналого-цифрового пр образователя соединен со вторым вхо дом коррелометра, выход которого со единен со входом преобразователя вр мя-частота. Введение дополнительных блоков и новых связей обеспечивает сокраще ние времени настройки аппаратуры и увеличение длительности реализации выходного вибропроцесса. На чертеже приведена блок-схема системы. Система содержит источник 1 вибра ции, аналого-цифровой преобразовател 2, коррелометр 3, преобразователь 4 время-частота, блок 5 сравнения, блок 6 эталонных значений, генератор 7 равновероятной двоичной цифры, блок 8 коррекции коэффициентов, оперативное запоминающее устройство 9,цифровой нерекурсивный фильтр 10,коммутатор 11, генератор 12 псев дослучайных чисел и цифроаналоговый преобразователь 13, причем источник 1 вибраций, аналого-цифровой преобразователь 2, коррелометр 3, преобра зователь 4 время-частота, блок 5 сравнения, блок В коррекции коэффициентов, оперативное запоминающее устройство 9, цифровой нерекурсивный фильтр 10, цифроаналоговый преобразователь 13 и источник 1 вибраций соединены последовательно, кроме то го, выход генератора псевдослучайных чисел подключен ко входу корре- , лометра 3 и входу коммутатора 11,-а выход коммутатора 11 подключен ко входу цифрового фильтра 10, кроме того, ко вторым входам коммутатора 11 и-схемы 5 сравнения подключены выходы генератора 7 равновероятной двоичной цифры и блока б эталонных значений. Источник 1 вибраций предназначен для преобразователя электрического сигнала в механическое воздействие на исследуемый объект. Аналого-цифровой преобразователь 2 служит цля преобразования электрических сигналов , поступающих от вибродатчика., из аналоговой формы в цифровую. Цифроаналоговый преобразователь 13 осуществляет обратную процедуру, т.е. преобразует цифровые коды в аналоговую форму. Для вычисления оценок спектральной плотности мощности служит преобразователь 4. Его структурную реализацию целесообразнее всего строить с использованием быстрого преобразования Фурье по одному из известных алгоритмов. На схеме 5 сравнения происходит определение вектора рассогласования спектральной плотности мощности на. выходе блока 4 с эталонными значениями S(w). Генератор 12 псевдослучайных чисел и генератор 7 равновероятной двоичной цифры предназначены для генерирования равновероятной псевдослучайной и случайной цифры , соответственно. Причем х(п)б 1, -1 есть последовательность некоррелированных отсчетов входного процесса для цифрового нерекурсивного фильтра 10. Коммутатор 11 и оперативное запоминающее устройство 9 используются в предложенной системе по своему прямому назначению. Выходные значения цифрового нерекурсивного фильтра получаются путем свертки входных значений х(п) с весомыми коэффициентами филь-. тра h(m) на основании выражения (1) Z{n) Г. h.{i)rx(n-i).. ,о Значение коэффициентов фильтра h{nf) определяетая видом требуемой .спектральной плотности мощности S (со) и амплитудно-частотной характеристикой системы вибростенд - исследуемый объект W (с)) . Коррелометр 3 служит для определения взаимокорреляционной функции между входным процессом, генерируемым генератсчром псевдослучайного белого шума 12 и выходным, т.е. для определения функции вида RVU (t) --i- x(n),y(n-.(:). (2) где х{п).-п-ый отсчет входного процесса, а у(п4)-выходного. Учитывая, что.весовая функция системы Н() цифровой фильтр - исследуемый объакт с в.ибростендом определяется в виде свертки весовых функций цифрового фильтра h(m) и исследуемого объекта с вибростендом g(т) окончательно выражение для и;, (f) примет вид:

R,.(tb i 5

3 тгО , , N-H

-и Мп).

N

Выра5кение f 2 /Ьоказывает, что точность оценки взаимокорреляционной функции RxqC) значительной степени зависит от количества выходных отсчетов у(п) случайного прот цесса, т.е. от величин N. В случае использования в качестве входного случайного процесса белого шума реальное значение N приближается к , только в этом случае точность оценок взаимокорреляционной функции позволяет использовать их для управления весовыми коэффициентами цифрового фильтра.

В режиме настройки системы на .заданный вид спектра в- качестве входного процесса используется псевдослучайная последовательность двоичных символов x(n)ttl, -13, представляющих собой псевдослучайный белый шум Генератор псевдослучайного белого шума построен по известной схеме с дополнением к генерируемой совокупности псевдослучайных кодов нулевой комбинации. Использование псевдослучайной последовательности позволяет получить точные оценки взаимокорреляционной функции по выражению (3) С целью уменьшения выборки, т.е. ве личины N, повышение скорости определения оценок S (оо) в целом, разрядность генератора псевдослучайных чи сел необходимо выбирать согласно выражения (k)

1 1од2М,

где М - количество весовых коэффициентов нерекурсивного фильтра 10.

Блок 8 коррекции коэффициентов предназначен для изменения коэффициентов цифрового фильтра на осно- ваний одного из известных алгоритмов управления с использованием вектора рассогласования, полученного на блоке 5 сравнения.

Функционирование цифровой системы генерирования широкополосных случайных вйбропроцессов происходит следующим образбм. Для получения заданной спектральной плотности мощ ноет и S (со) определяется весовая функция (дискретная) нерекурсивного цифрового фильтра, состоящая, например, из м-отсчетов, значения котрой заносятся в оперативную память Коммутатор .11 подключает на вход цифрового фильтра 10 генератор 12 псевдослучайных чисел, npji этом выход блока 7 отключается от входа

олОкс. 10. Значения белого шума, поступающие из блока 12, прохЬдя.через цифровой фильтр 10J сворачиваются с весовыми коэффициентами, находящимися в блоке 9. При этом, 5 I выходной процесс Z(n) имеет спектральную плотность мощности S(to). Преобразуясь в блоке 13 в аналоговую форму, Z(n) поступает на источник 1, где преобразуется в механические колебания, которые через вибродатчик в аналоговой форме поступают на аналого-цифровой преобразователь 2, на выходе которого получается дискретный процесс у(п) Известно, что вибростенд и исследуе5. мый объект имеют определенный вид амплитудно-частотной характеристики w(n). Следовательно, спектральная плотность на выходе имеет вид А (со) S ((0)/w (сй)Д. ,а не требуемый условиями вид спектра, определяемый А (со), а .не S (оо) . Далее дискретные отсчеты выходного процесса у(п) поступают на вход коррелометра 3, причем на второй вход которого поступают значения белого шума х{п). Количество отсчетов х(п) и у-(п) определяется величиной которая для реальных значений М(100-500) равняется (100500). На выходе коррелометра 3 поQ лучаются значения .взаимокорреляционной функции Rxyil) согласно вырржения (3). которые поступают на вход блока 4, Процессор 4 для преобразования из частотной области во временс кую на основании значений RK)

получает значения функции А(ш), причем в процессе преобразования нет необходимости в усреднении выходного результата по нескольким (50-100) реализациям. На один вход блока 5

0 сравнения поступают значения A(W) из 4, а н-а второй - значения требуемой спектральной плотнссти мощности S (Q), хранимой в блоке 6 эталонных значений, В результате ера15 внения на выходе блока 5 получается вектор рассогласования спектраль-ной плотности мощности.

В блоке 8 коррекций коэффициентов на основании, например,метода НьюQ тона с использованием вектора рассотласования спектральной плотности мощности и требуемой S(w) происходит коррекция коэффициентов фильтров.

Далее подобным образом процедура коррекции весовых коэффициентов итерационно повторяется до тех пор, , пока вектор рассогласования не станет нулевым, т.е., другими словами, полученная на выходе оценка спектра 0 А(ы) выходного процесса у(л) с некоторой наперед заданной точностью рав няется тpeбye юй S (GJ) . Такой процесс настройки системы длится непродолжительное время, так как выбранный метод управления заведомо сходяшийся (например, метод Ньютона). После окончания процесса настройки аппаратуры, т.е. переходного процесса, наступает рабочий режим испытания изделия, при этом на вход цифрового фильтра 10 подключается выход г енератора равновероятностной двоичной цифры 11 и прекращается кор .рекция коэффициентов, т.е. отключается обратная связь.

В предлагаемой системе настройка на нужный режим (требуемый S (G)) осуществляется на укорочённом периоде Г ПС4. Величина 1 /(разрядность регистра сдвига с сумматором по модулю два в цепи обратной связи выбирается минимальной по величине из выражения С), выборка выходных значений, на основании которых оценивается спектральная плотность мощ-. ности, в этом случае будет состоять из (100-500) компонент, что в 1001000 раз меньше,чем в известном, отсюда можно заключить, что время н&стройки предлагаемой системы по меньшей мере сокращается в 100 раз.

в рабочем режиме на вход цифрового фильтра поступают отсчеты дискретного белого шума от генератора равновероятностной двоичной цифры, построенного на физических принципах. Последовательность х(пО в силу ее физической при-роды не будет повторяться, поэтому и выходная последовательность Z(n) будет иметь неограниченную длительность реализаций. Использование генератора равновероятной двоичной иифры, кроме увеличения длительности реализации выходного вибропроцесса до бесконечности, максимально приближает природу выходного процесса к реальному истинно случайному вибропроцессу.

В предлагаемой системе отсутствует процессор для преобразования из частотной области во временную, для реализации которого необходимы больше аппаратурные затраты, кроме того, в системе отсутствует еще ряд блоков, которые требуют значительных затрат на свою реализацию. На реализацию же вновь вводимых блоков необходимы незначительные затраты оборудования. Так, коррелометр 3 и цифровой фильтр 10 реализуется на одном типовом элементе замены (ТЭЗ);; так как их работы используется только операция сложения, в силу того, что х(п)-1, 1J. Общие затраты на новые блоки составят 3-4 ТЭЗа.

Очевидно, что по качественным показателям предлагаемая система значительно превосходит известную, а дополнительное оборудование составит незначительный объем.

Поэтому конкретная реализация подобного устройства позволит получить высокие технико-экономические показатели.

Формула изобретения

Система для моделирования широкополосных случайных вибропроц сов содержащая генератор псевдослучайных

5 чисел и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, источник вибраций и аналого-цифровой преобразователь, кроме того, к первому и второму входам блока сравне-.

0-ния подключены рыходы блока эталонных значений и преобразователь время-частота, о т л и .4 а ю.щ а.я с я тем, что, с целью упрощения системы, она содержит коррелометр,

5 блок коррекции, коэффициентов, оперативное -запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр/ генератор равновероятной двоичн ой цифры и коммутатор, причем блок сравнения, блок коррекции коэффициентов, оперативное запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно, а выход генератора псевдослучайных чисел подключен к первым, входам коммутатора и коррелометра, второй вход коммутатора подключен к выходу генератора равновероятной двоичной цифры, а выход коммутатора подключен к управляющему входу цифрового нерекурсивного фильтра, выход аналого-цифрового преобразо.вателя соединен со вторым входом коррелометра, выход которого соединен

е СО ВХОДОМ преобразователя времячастота .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе я 1. Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М., Энергия. 1976, с. 94-107. .

2.Данилов Б.С. и Штейнбок М.Г. Однополосная передача цифровых сигналов. М., Связь, 1974. с. 56-59.

3.Патент США № 3848115, кл. G 01 N 29/00,(прототип.