Изобретение относится к автоматизации научных исследований механических колебательных систем и может быть применено для автоматизированного ринтеза сложных нелинейных системе неголономными связями, применяя аналого вые и аналого-цифровые вычислительные машины. Известно устройство для нолунатурного моделирования, позволяющее провести попунатурное моделирование механических колебательных систем с обыкновенными мехашпескнми связями, содержащее оперешнонные усилители, блок дифференцирова ния Ci-3 Однако известное усфойство полунатурного моделфования не позволяет осушвствлять полунатурное моделирование механических колебательных систем с неголономными связями, так как они не имеют системы, имитирующей неголоиомные связи, т.е. неинтегрируемые соотношения между скоростями nefp связи. Наиболее близким по техничес.кой суиь-ности к предлагаемому является устройство для полунатурного моделирования, содержащее мащину с валом, возбудитель крутильных колебаний, прикрепленный к валу через крутильный динамометр датчик крутильных колебаний вала, последовательно соединенные блок моделирования содержащий последовательно соединенные два блока интегрирования, прячем к первому входу первого из которых подключен его же выход, а к второму - выход датчика крутильных колебаний через блок (хифференпирования, а к третьему - выход источника постоянного напряжения, в сумматор, к второму входу которого ПОДКЛ чан второй выход источника постоянно го напряжения, а к третьему - третий 1ерез блок интегрирования, к второму входу которого подключен выхоА |футиль ного динамометра, а к третьему - его же выход, и блок моделирования обратной передаточной функции, выхоа которого послвдоэатвльно соединенные сум матор, второй вход которого соединен с выходом крутильного динамометра, и усилитель мощности соединен с входом воэбудителя крутильных колебаний 2. Однако известное устройство также не имеет системы, обеспечивающей возможность полунатурного моделирования механических колебательных систем с неголономными св{шями. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения полунатурного моделщ)ования систем с неголономными связями. Указанная цель достигается тем, что в устройство для полунатурного моделирования механических колебательных сису тем, содержащее возбудитель крутильных колебаний, связанный через вал с Есследуемой системой, крутильный динамометр датчик крутильных колебаний, блок дифферениирования, сумматор, усилитель мощ ности, блок моделирования обратной пере даточной функции и блок моделирования электродвигателя и фрикционного механиз ма, содержащий интеграторы, источник ностояашого напряжения и сумматор, причем выход датчика крутильных.колебаний соединен чероз блок дифференцирования с первым входом первого интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен ко входу второго интегратора блока моделирования электродвигателя и йкционного механизма, выход которого соединен с первым входом сумматора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, второй вход коTopioro подключен к первому выходу источника опорного напряжения блока моделироваНия электродвигателя и фрикционно Механизма, второй выход которого соединен с третьим входом первого интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а третий выход источника опорного напряжения блока моделирования электродвигателя и 4рикционного механизма соединен с первым входом третьего интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен к третьему входу сумматора блока моделирования электродвигателя и (фрикционного механизма, выход которого соединен с первым входом блока моделирования обратной передаточной функции, выход которого соединен с первым входо сумматора, выход которого через усилитель мощности соединен со входом возбудителя крутильных колебаний, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом сумматора и с третьим входом третьего интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а второй вход блока моделирования обратной передаточной функции подключен к выходу датчика крутильных колебаний, дополнительно введен блок усреднения, вход которого подключен к выходу датчика крутильных колебаний, а выход соединен с третьим Входом сумматора. Кроме того, блок моделирования обратной передаточной функции содержит узел дифференцирования, делители, сумматоры и источник опорного напряжения, причем вход узла дифференцирования и первый вход первого сумматора объединены и являются первым входом блока, вьисод узла дифференцирования соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого делителя, выход которого соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого является вторым входом блока, выход второго делителя соединен с первым входом второго сумматора, выход KOTopcffo соединен со вторым первого делителя, второй вход сумматора подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход первого делителя является выходом блока. На чертеже изображено устройство и поясняется принцип его работы. Устройство содержит вал 1 машины, 2, возбудитель 3 крутильных колебаний с неподвижным корпусом 4, жестко соединенным с постоянным электромагнитом 5, с якорем 6, жестко закрепленным на валу t и через Щ)ужины 7 - к корпусу 4, и обмотками 8, расположенными якоре 6, крутильный динамометр 9, закрепленный на валу 1 между машиной 2 и возбудителем 3, датчик Ю крутильных колебаний, закрепленный на валу 1, блок 11 дифференцирования, блок 12 моделирования электродвигателя и фршсционного механизма содержит последова тельно соединенные интеграторы 13 и 14, причем первый вход интегратора 13 соединен с его выходом, втчрой - с выходом датчика 10 крутильных колебаний через блок 11 дифференцирования, третий « с выходом источника 15 постоянного (Напряжения, с сумматором 16, первый вход которого соединен с выходом интегратс а 14 , второй - с вторым выходом источника 15, а третий - с третьим выхо дом источника 15 через интегратор 17, второй вход которого соединен с выходом крутильного динамометра 9, а третий с его же выходом, блок 18 моделирования обратной передаточной функции - с последовательно соединенным узлом 19 дифференцирования, вход которого соедин с выходом сумматора 16 блока 12 моде лирования, сумматором 2О, второй вход которого соединен с тем же выходом сумматора 16, и делителем 21, второй вход, т.е. вход делителя, которого соединен с выходом cyMMaTqpa 22, первый вход которого соединен с выходом источ ника 23 постоянного напряжения, а вто- рой - с выходом датчика 10 крутильных колебаний через второй делитель 24, второй вход, т.е. вход делителя которого соединен с выходом первого делителя 21, сумматор 25, первый вход которого соединен с выходом делителя 21 блока 18, второй - с выходом крутильного динамометра 9, третий - с выходом датчи ка 10 крутильных колебаний через блок 26 усреднения, усилитель моищости, через который выход сумматора 25 соединен с обмоткой 8 возбудителя 3. Устройство работает следующим об- разом. Реальной в системе является маш1ша 2, а моделируемой часть, т.е. частью, которую необходимо синтезировать, является асинхронный электродвигатель и (фрикционный механизм, через который передается момент вращения к валу 1 машины 2, и которым осуществляется неголономная связь. Такая система является обобщенной системе по уравнениям Чаплыгина (2, 3). Моделированию подвергаются электродвигатель и фрикционный механизм с целью подбора их оптимальных параметров или даже их функционального синтеза, что и позволяе метод полунатурного моделирования (1) а реальной остается мащина 1, так как она может иметь сложную структуру и обычно трудйо поддается формализации дифференциальными уравнениями. Таким образом, с помощью блока 12 моделирования рещаются дифференциальные уравнения асинхронного электродвигателя и (фрикционного механизма, с помощью блока 18 обратной передаточной функции, сумматора 25, усилителя 27, создающими сигнал, поступающий в возбудитель 3 крутильных колебаний, обеспечивается такая мрментная угловая ско 84 сть, передаваемая валу 1 мащины 2, торая точно соответствует моментным ачениям сигнала на выходе блока 12 делирования, т.е. обеспечивающая негономную связь между электродвигателем машиной. Выше сказанное происходит следуюм образом. Дифференциальным уравнием асинхронного электродвигателя ляется уравнение вида: ЗФд -М-ЬМ -М,., О - момент инерции подвижной части двигателя; Рд - координата вращения двигателя; М - вращательный момент двигателя; М - момент сопротивления , двигателю со стороны мащины; b - коэффициент вязкого трения. Фрикционный механизм, передающий ащение валу 1 машины 2, вьшолнен виде фршсционных дисков, сила прижатия торых создается электромагнитом и меняется от нуля до величины, обесчивающей требуемое сложение дисков, тем самым обеспечивающей требуемую ловую скорость вала машины. Поэтому фференциальное уравнение фрикционного ханизма имеет вид (o- Ч ,(2| -приведенная масса; -жесткость пружинящей части фрикционных дисков; C,j - жесткость пружинящей части плоского стыка; - коэффициент вязкого трения;XQ - величина Ha4ahbHoro зазора между дисками; . сила, создаваемая электромагнитом, зависящая от отклонения между задаваемой величиной угловой скорости пропорциональной U и действительной скорости вала машины Ф . Текущая (действительная) скорость ла 1 машины .2 измеряется с помощью тчика 1О крутильных колебаний. Сигнал выхода датчика 10 поступает в блок дифференцирования, на выходе которосигнал пропорциональный скорости угловых колебаний вала 1. Сигнал с выхода блока 11 поступает на вход цепочки, состоящей из двух интеграторов 13 и и 14, с помощью которых известным образом решается уравнение (2), причем величина задается напряжением с выхода источника 15 постоянного напря жения. Таким образом, сигнал на выходе интегратора 14 является пропорциональным координате X/ перемещ(21ия фрикционных дисков. Сигнал с выхода крутильного динамометра 9, пропорциональный моменту, действующему между подвижной частью возбудителя крутильных колебаний задающего-необходимую скорость вращени валу 1 (он же (момент) является равным моменту сопротивления моменту вращения двигателя) поступает на вход интегратора 17, с помощью которого известным образом решается уравнение (1). Сигнал,, пpoпqpциoнaльный моменту М , поступает с второго выхода источника постоянного напряжения 15. Таким образом, сигнал на выходе интегратора 17 пропорциональный угловой скорости асинхронного двигателя. Уравнение неголономной связи (2 ) (jjfp - максимальное значенне |д. у - значение х при дЧм решается с помощью сумматора 16, на - Входы которого поступают с игналы с блока 17 - пропорциональный 4J , с интегра тора 14 - пропорциональный X, через коэффициент, равный , а также с источника 15 постоянного напряжения пропорционального UJ,,, . На выходе сумматора 16, таким образом, сигнал пропорциональный значению 9, , т.е. тому значению скорости колебаний вала, которую должен обеспечить моделируемый асинхронный двигатель и фрикционный механизм с заданными параметрами, чтобы обеспечивалась целостность системы, несмотря, что она разделена на реальную и моделируемую части. Чтобы обеспечить скорость колебаний вала I;, такую, какая задается сигналом с выхода сумматора 16, сигнал с выхода блока 16 поступает на взсод блока 18 обратной передаточной функции. Передаточная функция по скорости возбудителя крутильных колебаний выражается следующим образом: Q(.) (р) 8 63 - В1)1х:одное угловое перемещение, скорость возбудителя крутильных колебаний;Z - сигнал, поступак щий на вход возбудителя колебаний;р - оператор дифференцирования. Если в простейшем случае учитываются только основные конструктивные параметры возбудителя в заданной частотной области, т.е. момент инерции, жесткость и демпфирование подвижной части QWz) (5| Р(Р) ,(6) -соотношение жесткости пружин возбудителя 3 с моментами инерции подвижной части возбудителя;-соотношение демпфирования движению с моментом инерции. то упомянутая передаточная функция возбудителя крутильных колебаний имеет вид .-с, Z P41i, Блоком 8 осуществляется следующая передаточная функция М -С, так как сигнал с выхода блока моделиро-; вания Ф поступает на вход узла 19 дифференцирования и на его выходе появляется сигнал, пропорциональный величине Т| . На входы сумматора 20 поступают сигналы с выходов блоков 16 через коэффициент К и на его выходе появляется .сигнал, пропорциональный величине + , . Сигнал с выхода сумматора 2О поступает на вход делителя 21, на вход делителя которого поступает сигнал с выхода сумматора 22, пропорциональный величине l-Ci так как На его первый вход поступает сигнал из блока постоянного напряжения ропорциональный, а на другой - сигнал с выхода делителя 24,П ропЬрциональный через коэффициент О, , так как на выходы делителя 24 поступают сигналы вь1хода датчика 1О крутильных колебаНИИ, который рАвен фактическому положе нию подвижной части возбудителя крутил ных колебаний, и с выхода делителя 21, который является выходным сигналом блока 8 обратной передаточной функции. Поэтому передаточная функция выходного сигнала блока моделирования и выходного значения моментной скорости возбудителя крутильных колебаний по уравнениям (7) и (8) имеет вид 1-С, P4W, -к, следовательно ъЛ Т.е. моментные значения скорости пере мещения возбудителя крутильных колебаний равны моментным значениям сигнала с выхода блока моделирования. В тех случаях, когДа полунатурное моделирование проводится в широких пределах частотной области в функциях (5) и (б) могут быть учтены и члены более высокого порядка, но принцип работы устройства от этог не изменяется Для того, чтобы нагрузка возбудителя крутильных колебаний не имела влияния (1) на точность выполнения условия (Ю сигнал с выхода крутильного динамометр 9 через сумматор 25 и усилитель 27 подается на вход возбудителя. Так как возбудитель 3 крутильных колебаний обеспечивает требуемую моментную скорость вала 1 при любых его положениях то подвижная часть возбудителя станови ся без фиксированного среднего положения и отклонение от него из-за погрешностей работы всего устройства может привести в нелинейную область работы возбудителя или даже его поломки. Поэтому на вход сумматора 25 поступает сигнал с датчика крутильных колебаний через блок 26 усреднения. На выходе общеизвестного блока усреднения сигнал является положительным или отрицательным в зависимости от отклонения среднего положения вала 1, а тем самы и подвижной части возбудителя схг нулевого положения. Знаки сигнала на выходе бл ка усреднения подбираются такими, что каж дое отклонение положэаия возбудителя крутильных колебаний от среднего положения вызвал дополнительный момент, возвращаюишй в это положение. Выше изложен принцип работы устрой ства, когда постоянные составляющие 8 углового перемещения системы вала 1 не учитываются, т.е. считается что они не имеют значения на синтезируемые параметры асинхронного двигателя и фрикционного механизма, что практически подтверждается. Изменение параметров в блоке моделирования может быть осуществлено вручную или автом 1тически. Указанное исполнение устройства позволяет провести полунатурное моделирование систем, с неголономными связями, получить оптимальные параметры системы, обеспечивающей эти связи. Это расширяет область применения метода полунатурного моделирования, обеспечивающего автоматизированные исследования сложных механических систем, а также оптимальный автоматический синтез, позволяет исследовать и применять более сложные механические колебательные системы р неголономнь1ми связями, а также создавать различные модели таких связей. Чисто-аналитические методы расчета таких систем сильно сужаются из-за их сложности. Техническая реализация устройства не представляет никаких трудностей. Устройство успещно применено для полунатурного мсщелирования вибро- двигателей, работающих на основе высокочастотных колебаний, различными образами взаимодействующие пьезокерамические элементы, в которых образуют неголономные связи. Формула изобретен и я I. Устройство для полунатурного моделирования механических колебательных систем, содержащее возбудитель кру . тильных колебаний, связанный через вал с исследуемой системой, крутильный динамометр, датчик ррутильных колебаний, блок дифференцирования, сумматор, усилитель мощности, блок моделирования обратной передаточной функции и блок моделирования электродвигателя и 4рик- ционного механизма, содержащий интеграторы,- источник постоянного напряжения и сумматор, причем выход датчика крутильных колебаний соединен через блок дифференцирования с аервым входом первого интегратора блока моделирования электродвигатега и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен JEO входу Второго интегратора блока моделирования электродвигателя и (фрикционного механизма, выход которого соединен с первым входом сумматора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механЦзма , второй вход которого подключен к первому выходу источника опорного на-
пряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, второй выход которого соединен с третьим входом первого интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а третий выход источника опорного напряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма соединен с первым входом трет.ьего интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, Выход которого соединен с его вторым Входом и подключен к третьему входу сум- . . матора блока моделирования электродвигателя и 4рикционного механизма, выход которого соединен с первым входом блока моделирования- обратной передаточной функции, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через усилитель мощности соединен совходом возбудителя крутильных колебаний, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом сумматора и с третьим входом третьего интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а второй Вход блока моделирования обратной передаточной функции подключен к выходу датчика крутильных колебаний, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за.счет обеспечения моделирования систем с неголономными связями, в него дополнительно введен блок усреднения, вход ко горого подключен к выходу датчика крутильных колебаний, а выход соединен с третьим входом сумматора.
2. Устройство по п. 1, отличаю щ е е с я тем, что блок моделирования обратной передаточной функции содержит узел дифференцирования, делители, сумматоры и источник опорного напряжения, причем вход узла дифференцирования и первый вход первого сумматора объединены и являются первым входом блока, выход узла дифференцирования соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого делителя, выход которого соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого является вторым входом блока, выход второго делителя соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, второй вход сумматора подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход первого делителя является выходом блока.
. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Авторское свидетельство СССР по -заявке NO 2417735/18-24,
кл. GO6 Q 7/48, 1978.
2.Левицкий Д. Н. Динамика механизмов с неголономными связями. Автореф. на соиск. учен, степени к-та техн. наук. Алма-Ата, 1978 (прототип).
t r.
««i
