Устройство для определения динамических характеристик колебательных систем Советский патент 1982 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к автоматике, в частности к анализаторам оинамических характеристик, и может найти применение при виброиспытаниях и исслецсжаниях нелинейных колебательных систем. Известны устройства для опре целения динамических характеристик, позволякжше огфецелять амплитуду и фазу .сигналов fl}. Однако использование в этих устройствах коммутирующих элементе с механическими контактами снижает их надеж- , ность и возможность автоматизации измерений. Известно устройство, в котором использованы гармонические опорные сигналы, что предопределяет использование в качестве пере множителе и гармонических синхронных детекторов, которые явл5по ся сложными электронными узлами, в оч личие от релейных синхронных детекторов (электронных ключей) Простое конструкутивное выполнение электронных ключей позволяет построить опорный сишал, цискрегно изменяюишйся во времени12. Однако это устройство позволяет nptssводить плавный анализ шшамияеских характеристик в диапазоне частот. Известны и более сложные устройства для анализа Шнамичаских характеристик с применением в качестве опорного сиг нала-функции Уолша З. Однако устройства характеризуются сложностью настройки и изготовлення t3. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения динамических характеристик колебательных систем, сооержашее фазоврашатет, послецователь но соеаиненные первый измерительный преобразователь, первый ключ и первый интегратор, и последовательно соединенные второй измерительный преобразователь, второй ключ и второй интегратор, выходы первого и второго интеграторов подключены ссютветственно к первому и второму входам вычислительного блока, другой выход первого измерительного преобразователя связан с входом исспеоуемой колебательной системы, выход которой соединен с входом второго измерительного преобразователя. В этом устройстве опорные сигналы формируются с помощью фогоголовок. Сдвиг фаз между сигналами произведен сдвинутыми на 9СР друг от друга фотоголовками. К выходам фотогодовок подключены формироватего импульсов, формирующие гфямоугольные опорные сипналы типа меандр, выходы обоих формирователей подключены к другим входам электронньос ключей, а к выходам ключей подсоединены интеграторы Г42. Это устройство характеризуется низк ТОЧНОСТЬЮ измерения прямоугольных про екций исследуемого сигнала, а значит и вообще низкой точностью динамических измерений . Если исследуемый сигнал представить в виде Х 2 X siri it/i+ J, то проекции запишутся в виде - это при анализе первой гар моники; при анализе второй , и V ,2 cos и т.д. Если такие сигналы ( XrjiCos ) измерены точно, то не представляют сложности подучить из них другие шшамическиё параметры У и ,, например, реализуя ..в вычислительно-регистрирующем устройстве алгоритм U)(jt )о (u)oi+4) , Где сигналы Sin tUQ-t HCOSU)-t- это сигналы с фиксированными частотами. По правой части уравнения измеряет Х/ и Ч t т.е. определяют динамические параметры в виде амплитуды и фазы (величины и места неуравнсфеиюнности). Прямоугольные проекции измеряются следующим образом. Исследуемый сигнал, получаемый от измерительного преобразователя, перемно жают в электронных ключах с опорными сигналами - прямоугольнык1И симметричными им15 льсами (типа меандр). Точность получения фракций таким путем невешка. Действительно, в таком опорном сигнале содержатся нечетные гармоники {2п-1), а коэффициенты при гармониках пропорциональны г--Т Постоянная соотавлякяцая сигнала (после интег рагоров) пропорциональна произведению п J in-rr rtr ;COs4. . и так как, полезную л( ийформвдию несет одна гармоника, например, первая - U(jn Ч , то вепи чвЕгна ,С05Ч, TO (ii--) On i iпредставляет собой погрешность измерения этой проекиии. Аналогично образуется погрешность при формировании второй прямоугольной проекции, которая получается при перемножения опорного сигнала, сдвинутого на 90° , на исследуемый сигнал. Иэмерение прямоугольных проекций, таким образом, осуществляется с погрешностью. Кроме того, в известных устройствах невозможно проводить плавный последовательный анализ, так как невозможна перестройка частоты опорного сигнала. Цель изобретения - повышение точности устройства Эта цель достигается тем, что устройство содержит генератор -фиксированных частот, генератор переменных частот, четыре коньюнктора, три инвертора, первый дизьюнктор, третий и четвертый ключи, третий и .четвертый интеграторы, последовательно соединенные второй оизьюн- ктор, пятый интегратор и возбудитель входного воздействия, выход которого связан с входогуг первого измерительного преобразователя, причем входы первого и второго ключей соединены соответст. вен но- с входами третьего и четвертого ключей, выходы которых соединены с входами соответственно третьего и четвертого интеграторов, а управляющие входыс выходом первого дизьюнктора, соответствующие входы которого соединены с выходами первого и второго конъюкгоров, первый Ход первого коньюнктора пооключен к выходу первого инвертора, а первый вход второго коньюнктора - к выходу первого инвертора, выходу фазовращателя, третьему входу вь1числите;ьного блока, второй вход первого коньюнктора подсоединен к выходу третьего инвертора и первому входу Третьего коньюнктора, а второй вход второго коньюнктора - к входу третьего инвертора и первому входу четвертого коньюнктора, второй вход которого CB5I- зан с четвертым входом язычислительного блока, входом фазовращателя и входом второго инвертора, выход которого подключен к второму входу третьего коньюнктора, выход которого и выход четвертого коньюнктора соешнены с соответствующими входами второго дизьюнктора, выход которого связан с управляющими входами первого и второго ключей, а выходы третьего и четвертого интеграторов связаны соответственно с пятым и шестым входами вычислительного блока. На фиг, I приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов.х Усгройсгво соцержит возбудитель 1 входного возцействия, измерительный пре образователь 2, исследуемую колебательную систему 3, измерительный преобразователь 4, интегратор 5, ключи 6-9, интеграторы 10-13, вычислительный блок 14, генератор 15 фиксированной частоты инвертор 16,коньюнктор 17,цизьюнктор 18, генератор 19 переменной частоты, инвертор 2О, коньюнктор(схема И) 21, фазовращатель 22 (на 90), инвертор 23, конъюнкторы 24 и 25, .цизьюнктор (схема ИЛИ) 26. Устройство работает следующим образом. Генератор 15 (фиг. 1) формирует последовательность прямоугольных импульсов (типа меандр) фиксированной частоты Шр (фиг. 2а), а генератор 19 - такую же последовательность импульсов переменной частоты U) (фиг. 2в), обе эти последовательности импульсов поступают на входыконьюнктора 17, на выходе которого образуется сигнал, показанный на фиг. 2 д. Выходные сигналы генераторов 15 и 19 инвертируются в инверторах 16 и 20 (фиг. 26 и г), после чего поступают на коньюнктор 2 1, который образует последовательность импульсов (фиг.2е). Последовательности импульсов (фиг.2д и е) обьеоиняются в цизьюнкторе 18, образуя сигнал (фиг.2ж). Аналогичным об зазрм образуются сигналы в. канале фазофращатель 22, инвертор 23, коньюнкторы 24 и 25 и дизьюнктор 26, только на выходе дизьюнктора 26 образуются сигнал аналогичный изображенному на фиг. 2ж, но сдвинутому относительно него на четверть п эиоца (на 90). Нетрудно заметить, что сигнал (фиг. 2 ж) в дискретной форме выражает собой аналоговый сигнал с формой равнобедренной трапеции (этот сигнал изображен на фиг. 2 ж сплошной линией) . По аналогии на выходе цизьюнктора 26 в дискретной форме закодирован аналоговый сигнал в форме равнобедренно Iтрапеции, но сдвинутый на 9О. Такой аналоговый сигнал с частотой Я. получает ется на выходе интегратора 5 и подается на вход возбудителя 1 входного возцейст ви(это может быть электрощш а ми ческий, электрогицравлический, электромаги. нитный, пневматический и т.а вибратор) в котором электрический сигнал преобразуется в сигаал входного воздействия (механическое, гидравлическое, пневмати96 ческое усилия).. Этот возбуждающий сигнал вводится в исследуемую систему (обьект) 3 через измерительный преобразователь 2 усилия, (для примера ука жем вибратор, создающий механическое усилие, которое вводятся в обьект упругий элемент, который служит преобразователем усилия электрический сигнал с него макет быть подучен, например, тензодатчиками, наклеенными на стенки упругого элемента, могут быть исполь.- зованы преобразователи и другого типа к принципа действия). Сигна/ возбуждэния в общем вийе имеет вид .(f.). Высщие гармоники могут образовываться либо всяедствии принципа действия вибратора, либо вследствии, нелинейности вибратор -объект. Реак;ция объекта -Х- Х Sin() . JB перемножителя - электронных ключах 6-9 происходит умножение сигнала силы и реакции на опорные сигналы вица (фиг. 2ж), сдвинутого на 9О . Заметим что частота этих опортых сигналовявл ется низкой и изменяющейся при изменении частоты генератора 19 переменной частоты. Опорные сигналы относятся к классу сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Зоесь мюауяяия; осуществляется с частотой по закону равнобедреннойтрапеции. Главный Э формационный сигнал, переносимый ШИМ-сигналом (т.е. заложенный.в законе изменения его длительности) - это сигнал аналоговым выражением которого является сигнал с формой равиобецрвн- ной трапеции. Такой сигнал имеет также нечетные гармсяни, однако коэффициенты при гармониках пропорцйонапьны (1п-Щ (гпИ) Таким образом, пбсле интегрирования в интеграторах 1О-13 произведения сиг налов на выходах перемножителей-влектронных ключей 6,7,8 и 9 образуются сигналы соответственно номерам ключе.й ключ 6:о Sind.i .я . 1 -U Р СОЭ (( 4-4г- U F OOSV t dC ъ JI o ««V--. ключ 7: ,7г - FjSin jt 0.5 5--.

ключ 8:

lUiu X Ч5in5(i

Sin

,. ., („ I 9in5d,,

V sv -T-j-u

sin 5dL

(J.

cl .

которые поступают на входы вычислительно-регистрирующег-о блока 14... Итак, регистрация одной из прямоугольных про акций сигнала реакции, например, при на личии лишь 3-й гармоники, осуществля SiTTifL опЬ ется с погрешностью -я- пЧ. а. в известном устройстве также при н личии лишь третьей гармоники погреш опЧ °ность равна , т.е. точность описанного устройства в этом слу чае выше в В делом для любых гармоник точност выше во столько раз, во сколько раз ко эффициент при гармонике в опорном сигна ле меньше. В общем виде точность выше 11пнГЫ раз, где п - номер (.4vi-1)d МОНИКИ. Для получения более низких частот возбуждения необходимо приближать частоту генератора 19 даременной частоты к частоте генератора 15 фиксированной частоты. Тогда, как показывает анализ, опорные сигналы., об разуются с широтноимпульсной модуляцией по закону, приближающемуся к треугольному, и точность предложенного устройства выше в п раз,, где л номер гармоники, что меньше, чем было указано выше. Таким образом, на вход вычислительно-регистрирующего блока поступают четыре информационных сигнала. Без учета погрешностей ши будут иметь вид выражений, приблизительно nponofBreoHanb ных ,F-iCOS%,,X ccs4,, В V вычис лиге льном блоке реализуются следующие известные алгоритмы (сигналыsi nUQi и cosiuo поступают от генератора 15 и фазовращателя 22) Wpt+F cos creш Jtr (u) и

X BinAV Sin .cog V oosuJotcX.,

т.е. это . позволяет регистрировать слэоуюшие характеристики в функции частоты возцействия: амплитуцно-частотнуюX f(Q)|Cилo-чacтoтнyю - F-,() ; фазочастотную-Ч - -f (). Таким образом могут быть записаны цинамические характеристики сипы и реакции любого объекта.

В предлагаемом устройстве повышена точность измерения, так как основная часть анализатора выполнена на логичес- ких элементах, ключевой режим работы которых обеспечивает стабильность характеристик при эксплуатации в широком температурном диапазоне и, кроме того, без усложнения (и -вообще изменения) схем электронных ключей (перемножителей) повышена точность перемножения иэ-за определенным образом сформированного опорного сигнала, т.е. сохранена простота конструкции при значительном увеличении точности. Формула изобретения Устройство для определения динамических характеристик колебательных систем, содержащее фазовращатель, последовательно соединенные первый измерительный преобразователь, первый ключ и первый интегратор и последовательно соединенные второй измерительный преобразователь, второй ключ и второй интегратор, выходы первого и второго интеграторов подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, другой выход первого измерительного преобразователя связан с входом исследуемой колебательной системы, выход которой соединен с входом второго измерительного преобразователя, о т л и чающееся тем, что, с цепью повышения точности устройства, оно содержит генератор фиксированных частот, генератор переменных частот, четыре коньюнктора, три инвертора, первый дизъюнктор, третий и четвертый ключи, третий и четвертый интеграторы, последовательно соединенные второй дизьюнктор, пятый интегратор и возбудитель входного воздействия, выход которого связан с входом первого измерительного преобразователя, причем входы первого и второ.го ключей соермнейы соответственно с входами третьего и четвертого ключей.

выходы которых соединены с входами соогветсгвенно третьего и четвертого ицтег раторов, а управляющие входы - с выходом первого дизьюнктора, соответствующи входы которого соединены с выходами первого и второго кшьюнкторов, первый вход первого коньюнктора подключен к выхоjy первого инвертора, а первый вход второго конъюнкгора - к выходу первого инвертора, выходу фазовращателя, третьему входу вычислительного блока, второй вход первого коньюнктора подсоединен к выходу третьего инвертора и первому входу третьего коньюнктора, а второй вход второго коньюнктдэа - к входу третьего инвертора и первому входу четвертого коньюнктора, второй вход которого связан с четвертым входом вычислительного блока, входом фазовращателя и входом второго инвертора, выход кото ч го подключен k второму входу третьего коньюнктора, выход которого и четвертого коньюнктора соединены с -Соответствующими входами второго аязьюнктора, выход которого связан с yi равляющими входами первого и второго Ключей, а выходы третьего и чегверто го интеграторов связаны соответственно с пятым и шестым входами вычисли тельного блока.

Источники , принятые во внимание п|ж сспертнзе

1.Авторское свидетельство СССР

№ 561147, кл. Q 01 R 2S/OO, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР № 590624, кл. Q 01 М , 1976.

3.Авторское свидетельство СССР

№ 572718; кл.С 01 R 23/16, 1975.

4.Авторское свидегелство СССР N 222710, кл. Q 01 М 1/22, 1965 (прототип).

а б

в

Л

Ж

Фиг.