Вибростенд Советский патент 1981 года по МПК G05D15/00 

(54) ВИБРОСТЕНД

1

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний на синусоидальные вибрации с дискретно либо плавно меняющимися амплитудой и частотой.

Известен вибростенд, содержащий последовательно соединенные усилитель мощности, вибратор, внбропреобразователь,.,усилитель, первый выпрямитель, первый фильтр, первый элемент сравнения и ключ, последовательно соединенные задающий генератор, второй выпрямитель и второй фнльтр, второй вход которого подключен к выходу преобразователя частоты и ко второму входу первого фильтра, а выходко второму входу первого злемента сравнения причем выход задающего генератора связан с первым входом регулятора амплитуды ПЛ

В известном устройстве для расширения динамического диапазона регулирования, troвышення точности поддержания уровня, амплитудно-частотной характеристики и расширения диапазона работы вибратора в область более высоких частот рабочая точка регулятора- амплитуды, выполненного в виде полевого, транзистора, смещена в нижнюю часть регулировочной характеристики, а в прямую цепь включен перестраиваемый по частоте и добротности полосовой фильтр. Начальное положение раббчей точки регулятора амплитуды регулируется настройкой козффицнента передачи злемента сравнения по сигналу обратной сзязи. При этом выходной сигнал Uy(t элемента сравнения, поступающий на управляюцщй вход регулятора амплитуды, определяется как

10

(}(, (1)

где АХ, и А у - амплитуды сигналов задающего генератора и усилителя;

15

с1 н 2 общие коэффициенты передачи по амплитуде второго фильтра, второго выпрямителя и первого фильтра, первого выпрямителя (обыч20 );

К - коэффициент передачи элемента сравнения по сигналу . обратной связи. При , df, получим (i-k), (i) у этого вибростенда при X (ijsA) (ии и отключенном третьем фильтре (bolvX(juj)(ja)l., itAx-cJ-ckW(jty;i а ошибка ( Ы)НДхо1С(1-К)(ЗЦ)Л ((l( где С - коэффиш1ент крутизны линеаризованной регулировочной характеристи ки регулятора амплитуды; fb() - коэффициент передачи регулятора амплитуды при (t)-О ; )Х(/(1|Ш)|- модуль передаточной функция вибростенда. Коэффициент передачи К элемента сравнения настраивается по линейному участку амплитудно-частотной характеристики (по ускорению) электродинамического вибратора. В соответствии с (3) и (4) при .. )I Axd-Cl(JaJH)- ,с) Ax«3C|W( получим 610 , а ( частота настро ки) 1. В соответствии с выражениями (3)-(5) то кость поддержания заданного генератором режима. виброиспытаний при частотах для которых |XI/(jцJ))l ухудшается с увеличением разницы )W(jOD)-WljUUn))0. Для того, чтобы на всех частотах виброиспытаний выполнялись соотношения EsO и , коэффициент передачи К. необходимо настраивать в соответствии с выражением (5), где о) - текущая частота виброиспытаний. Кроме того, настройка коэффициента передачи (коэффициент К определяет собой в соответствии с выражением (1) величину вьсходного сигнала -J/JT (t} элемента сравнения) не предусмотрена. Следовательно, данному вибростенду всегда свойственна зависящая от частоты виброиспытаний ошибка (4). На точность поддержания заданного генератором режима виброиспытаний оказывают существенное влияние также размеры линейного участка (коэффициенты (Ьд и С ) регули( ровочной характеристики регулятора алтлитуды. У вибростенда для расширения динамического диапазона регулирования при завалах частотной характеристики рабочая точка регулятора амплитуды смещена в нижнюю часть регулировочной характеристики и, кроме того, предусмотрено применение третьего фильтра, перестраиваемого по частоте и добротности, который поднимает уровень входного сигнала регулятора амплитуды. Указанный узкополосный фильтр сложен в настройке и требует знания частотной характеристики до испытания. а при уходе резонанса объекта в процессе испытаний требует перестройки. Кроме того, подключение и отключение полосового фильтра вызывают возникновение переходных процессов в вибростенде. У известного вибростенда при изменении Ах по программе изменяется и величина , т.е. начальное положение рабочей точки регулятора зависит от амплитуды А X Кроме того, смещение рабочей точки регулятора амплитуды нижнюю часть регулировочной характеристики предпола гает работу регулятора амплитуды (в режиме компенсации подъемов частотной характеристики) на нелинейном участке регулировочной характеристики. Перечисленные моменты существенно снижают точность поддержания заданного генератором режима виброиспытаний в режиме компенсации подъемов частотной характеристики. Обусловлено это тем, что на нелинейном участке крутизна регулировочной характеристики регулятора амплитуды падает до нуля. Это в соответствии с выражением (4) вызовет значительное увеличение ошибки и. . Быстродействие и точность известного вибростенда в переходных режимах (при изменениях по программе амплитуды АХ и частоты UJ существенно зависят от постоянных времени первого и второго фильтров. Постоянные времени фильтров очень большие, следовательно, быстродействие и точность вибростенда в переходных режимах очень низкие. Цель изобретения - повышение быстродействия и точности вибростенда. Поставленная цель достигается тем, что в вибростенд введены последовательно соединенные второй злемент сравнения, фазовращатель и корректирующий блок, а также интегратор и эадатчик программ, первый выход которого подключен ко входу преобразовате;А частоты, второй выход - ко второму входх задающего генератора, третий выход - ко второму входу; ключа, а четвертый выход - ко второму входу корректирующего блока, выход которого связан со усилителя мощности, первый вход второго элемента сравнения соединен с выходом усилителя и со вторым

ходом фазовращателя,а второй вход - с выходом егулятора амплитуды и с третьим входом фаовращателя, выход ключа подключен ко вхоу интегратора, выход которого соединен со торым входом регулятора амплитуды.

На чертеже представлен предлагаемый вибостенд.

Вибростенд содержит задатчик 1 программ, задающий генератор 2, регулятор 3 амплитуды, второй элемент 4 сравнения, фазовращатель 5, корректирующий блок 6, усилитель 7 мощности, электродинамический вибратор 8, ибропреобразователь 9, усилитель 10, первый выпрямитель 11, первый фильтр 12, первый элемент 13 сравнения, второй выпрямитель 14, второй фильтр 15, ключ 16, интегратор 17 и преобразователь 18 частоты.

Задатчик 1 программ выделен в отдельный блок и служит для программного изменения амплктуды и частоты выходного сигнала X(-t) задающего генератора 2, управления ключом 16 и преобразователем 18 частоты.

Вибростенд в прямой цепи содержит задатчик 1 программ, задающий генератор 2, регулятор 3 амплитуды колебаний, второй элемент 4 сравнения, управляемый фазовращатель 5, корректирующий блок 6, усилитель 7 мощности и электродинамический вибратор 8, в цепи обратной связи - вибропреобразователь (акселерометр) 9, усилитель 10,выход которого соединен со входом первого выпрямителя 11, первый фильтр 12, первь|й элемент 13 сравнения, ключ 16, управляющий вход которого соединен с выходом задатчика 1 программ, и интегратор 17, на вход для задания начальных условий которого подают опорное напряжение Урд , величиной и полярностью которого выбирается рабочая точка регулятора 3 амплитуды, в цепи формироваиия опорного напряжения - второй выпрямитель 14 и второй фильтр 15, выход которого соединен со входом элемента 13 сравнения, в цепи частотной настройки - преобразователь 18 частоты, вход которого соединен с выходом задатчика 1 программ, а выход - со входами первого 12 и второго 15 фильтров.

Второй элемент 4 сравнения выполнен с регулируемым коэффициентом передачи по суммирующему входу, а по вычитающему входу коэффициент передачи его равен единице.

Корректирующий блок 6 выполнен с переменной структурой, однозначно определенной для режима программного изменения амплитуды к режима программного изменения частоты Переключение структур производится задатчиком 1 программ.

Вибростенд характеризуется тремя режимами работы: режимом настройки, режимом

программного изменения частоты и режимом программного изменения амплитуды.

В режиме настройки ключ 16 разомкнут. Задатчиком 1 программ определяются настроечные значения амплитуды АН частоты (jj выходного сигнала X (1) задающего генератора 2. Причем Днт0х .а 0 и)ц Шн „ду, где Л ц oiv и WK - максимально допустимые значения амплитуды и частоты в вибростенде. Велтину напряжения U pj выбирают из условия, чтобы рабочая точка регулятора 3 амплитуды лежала на нижней части линейного участка регулировочной характеристики. Коэффициент передачи второго элемента 4 сравнения по суммирующему входу определяется из условия, чтобы амплитуды сигналов ) . и f-iCt) были одинаковы, т.е.

, ЛН ик5а- где pd и Xqr- - коэффициенты передачи регулятора

амплитуды и второго элемента сравнения в режиме настройки.

В режиме настройки вход управляемого фазовращателя 5 отключен от выхода второч го элемента 4 сравнения. Это обеспечивает

2(t)0 , т.е. возможность настройки регулятора 3 амплитуды и второго элемента 4 сравнения по выражению Крд- .

В режиме программного измеиения частоты ключ 16 замкнут, а вход управляемого фазовращателя 5 соединен с Выходом второго элемента 4 сравнения. Задатчиком 1 программ задаются амплитуда ft и начальное значение частоты. ш Q сигнала X(-t/ . Кроме того, Задатчиком программ осуществляется включение той структуры корректирующего

блока 6, которая обеспечивает воспроизведение вибротоком 8 сигнала Z{t) с заданными точностью,, перерегулированием, быстродействием, т.е. оптимальное воспроизведение сигнала 2(i) в режиме программного изменения

частоты.

В этом режиме корректирующий блок 6 обеспечивает заданные параметры переходного процесса по амплитуде сигнала ) при единичном скачкообразном изменении амплитуды

сшнала как при скачкообразном изменении частоты происходит скачкообразное изменение амплитуды выходного с{Пнала YA (t) вибратора 8. В этом случае расчет параметров передаточной функции корректирующего блока WK 5(,j) проводится на основе передаточной функции

1

фии;)()%а)

Сигнал к (ij через регулятор 3 амплитуды, второй элемент 4 сравнения, управляемый фазовращатель 5, корректирующий блок 6, усилитель 7 мощиости прикладывается к вибратору 8, возбуждая в нем механические колебания с частотой UJQ и уровнем параметра вибраций, например ускорением, опреде ляемым модулем передаточной функции Wi( вибростенда между сигналами X 6(i) и Z(-fc) и коэффиодентами передачи цепей отрицательных обратных связей и формирования опорного напряжения. Так как общие коэффициенты передачи по амплитуде первого выпрямителя И, первого фильтра 12 и второго выпрямители 14, второго фильтра 15 одинаковы, то выражение f CijeO будет означать, что -.-А ЕСЛИ на частоте ии Н получили Jc,)(ju;) , модуль передаточной функции вибростенда между сигналами Z(±) и Xj (), тогда ЛJ,..A nЛx A lЬ e-( . Это будет способствовать изменению сигнала Uj/fjp(t) на управляющем входе регулятора 3 амплитуды, иэменению коэффициента передачи регулятора амплитуды. Причем в установившемся режи-. ме получим E/,(t/ 0 Наличие управляемого фазоврашателя 5 позволяет исключить сдвиг по фазе между сигналами XQ(t) и 2(t) , поступаюшими на вход второго элемента 4 сравнения, и обеспечить тем самым абсолютную устойчивость вибростенда в рабочем диапазоне частот. Диапазон HaMeHeHKHtWCitu )) значительно уже диапазона изменения (jU; )) - модуля передаточной функции устройства между сигаалами 2(i) и 1ф). Обусловлено это Наличием второго элемента 4 сравнения, управ ляемого фазовращателя 5 и оптимального управляющего устройства 6. Это позволяет применить регулятор амплитуды, у которого ; инейный участок регулировочной характеристики может бить значительно уже, чем у известного вибростенда. Кроме того, это означает, что диапазон изменения коэффициента передачи регулятора 3 амплитуды значительно уже, чем у известного вибростенда при изменении частоты в рабочем диапазоне частот, что способствует повышению быстродействия и точности вибростенда в переходных режимах. У вибростенда предлагаемой конструкция при/Wi(jU) модуль передаточной функции W(jii V стемится к единице. Это означает, что рабочая точка регулятора 3 амп литуды даже при1(|Ц) будет лежать на линейном участке регулировочной характеристики, так как коэффициент передачи регулятора 3 амплитуды при этом не будет мень е |с для которого рабочая точка реулятора амплитуды лежит в нижней части егулировочной характеристики. При этом у вибростенда предлагаемой конструкции отсутствуют погрешности в поддержании заданного генератором режима виброиспытаний в режиме компенсации подъемов частотной характеристики, которые свойственны известному вибростенду. Наличие интегратора 17 позволяет полностью исключить ошибку по амплитуде между сигналами 2(t) и X(i; при дискретном изменении чистоты, когда наименьшее время между последовательными дискретными изменениями частоты превышает время переходного процесса в вибростенде. В режиме программного изменения амплитуды ключ 16 замкнут, а вход управляемого фазоврашателя 5 соединен с выходом второго элемента сравнения. Задатчиком 1 программ задаются начальные значения амплитуды Д и частоты сигнала У (i) : Кроме того, Задатчиком программ осушествляется включение той структуры корректирующего блока 6, которая обеспечивает воспроизведение вибратором 8 сигнала l(t) с заданными точностью, перерегулированием, быстродействием, так как воспроизведение сигнала z(tj в режиме программного изменения амплитуды оптимальное. В этом режиме корректируюший блок 6 обеспечивает заданные параметры переходного процесса по амплитуде сигнала (t) при единичном скачкообразном изменении амплитуды сигнала Xi2(tJ . Расчет параметров передаточной функции корректирующего блока ( j,yi) проводится на основе передаточной функции ft(() ((au)).ЧVк5((ju); (j,tu) ttfe(j,ujJ -передаточные функции соответственно фазоврашателя 5 и вибратора 8. Если йа частоте ,,u) , тогда получимЛ2.)( и (i)f0 Это будет способствовать изменению сигнала -yПp() управляющем входе регулятора 3 амплитуды, изменению коэффициента передачи регулятора амплитуды. Причем в установившемся режиме получим Eyf())0, С ..,с1 А,Лу.Ак.. При программном изменении амплитуды (дискретном либо непрерывном) эадатчик 1 программ не только управляет программно амплитудой сигнала X(t) , но и отключает ключ 16, который в дальнейшем останется отключенным в течение всего програмК ного изменения амплитуд на частоте .На выходе интегратора 17 будет сохраняться напряжение Uy , которое обеспечивает вьшолнение выражения К K«,1W(JU))1H, на частоте U) в установившихся режимах. Таким образом, в режиме программного изменения амплитуд на точность н быстродействие вибростенда о переходных режимах не оказывают влияния фильтры 12 и IS, имеющие большие постоянные времени, а качество нереходнь1Х процессов вибростенда определяется он тимальным управляющим устройством 6. Введение Дополнительных элементов позволяет повысить быстродействие н тЬчность внбростенда. Формула изобретения Вибростенд, содержащий последовательно соедн 4ненные усилитель мощности, вибратор, вибропреобразователь, усилитель, первый выпрямитель, первый фильтр, первый злемент сравнения и ключ, последовательно соединенные . задающий генератор, второй выпрямитель и второй фильтр, второй вход которого подключен . к выходу преобразователя частоты и ко второму входу первого фильтра, а выходко второму входу первого злемента сравНения, причем выход задающего rjsnepaTopa свя зан с первым входом регулятора амплитуды, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности и быстродействий вибратора, в него введены последовательно соединенные второй злемент сравнення, фазовращатель и корректирующий блок, а также интегратор и задатчик программ, первый выход которого подключен ко входу преобразователя частоты, второй выход - ко второму входу задающего генератора, третий выход - ко вто рому входу ключа, а четвертый выход - ко второму входу корректирующего блока, выход которого связан со входом усилителя мощности, первый вход второго злемента сравнения соединен с выходом усилителя и со вторым входом фазовращателя, а второй вход - с выходом регулятора амплитуды и с третьим входом фазовращателя, выход ключа подключен ко входу интегратора, выход которого соединен со вторым входом регулятора амплитудь. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 734629, ют. G 05 D 15/00, 1977 (прототип). ,