Устройство для воспроизведения широкополосных вибраций Советский патент 1982 года по МПК G05D19/02 

1

Изобретение относится к области вычислительной технике и может бытьиопользовано для упразлешш вибрациями.

Известноцифровое устройство для управления вибрапионными испытаниями технических объектов, содержащее ввброустановку, выход которой соединен через аналого-цифровой преобразователь (А11П), процессор, цифроаналогоылй преобразовав . тепь (ЦАП) с входом виброустановки. При этом сигнал с выхода виброустановки преобразуется в АЦП в хгафровой вид, затем цифровой сигнал подвергается с целью определения спектра в процессоре быстрому преобразованию Фурье (БПФ), полученный результат усредняется и нивается с заданным спектром с целью .обеспечения управления устройством. Алгоритм управления имеет следующую процедуру

qHcИ

9 - вектор управляемых napaMeiw ров входного воздействия на виброустановку на и -м шаге управления;

- вектор ошибок на п -ы шаге; матричный оператор, конкретный вид которого зависит от алгоритма упра&ления

Матричный оператор Wy, может описывать алгоритм Кестена и алгоритм Ньютона. Сигнал, полученный в результате операции управления, подвергается o6paTv ному быстрому преобразованию Фурье (О5ПФ), преобразуется с помощью ЦАП в аналоговый вид в подается на вход ,5 виброустановки. Таким образом, ocyntecrw вляется процесс автоматического поддержания на стенде виброустановки заданно. го спектра вибрации fl.

Недостатком этого устройства является то, что в це1Ш обратной связи имеют место две операции, которые происходят в течение длительного отрезка времевв, это усреднение полученных после БПФ спектров и осуществпетгае алгоритма josравлвния устройством. Поэтому скорость выхода устройства на рабочий режим не значительна. Кроме T0i-t, напичие двух допгодпящихся процессов в цепи обратной связи устройства.эквивалентноналичию двух интегрирующих цепей в системе автоматического управления, что может привести систему к самовоабужденш Наиболее блтгакнм к предлагаемому яв ляется устройство для воспроюведешга широкополосных: вибраший, содержащее доследовательно соединенные блок умножешш, синтезатор, LIAFI, виброустановку АЦП, память анализатора спектра вибрации, .усреднитель, блок сравнения, на дру гой вход которого подключен выход зада чнка спектра вибрации, а выход через . память спектра соединен с входом блока умножения, на другой вход которого подключен выход генератора случайной фазы. При работе устройства сигнал с выхода виброустановки преобразуется в АЦП в цифровой вид, затем запоминается в памяти. После этого он считывается КЗ памяти на анализатор спектра вкбраии который определяет мгновенные составляюигае спектра вибросигнала. Эти соста ляющие спектра усредняются с предыду. щими значениями спектра на каждой чаототе анализа, а затем сравниваются в блоке сравнения с заданным спектром вибрации. Результат сравнения записывается в память. После этого осуществл ется с помощью генератора случайной фазы, блока умножения, синтезатора спек тра вибрашга, выходной памяти и ЦАП синтез случайного широкополосного аналогового сигнала с управляемым спектром, который подается на вход виброустановки, возбуждая вибрацию с спектром: Сравнение спектров заданного и анализируемого осуществляется по алгоритму ,С)--1км()-)) L результат сравнения на частоте 1; Я{-) - задаваемый уровень спектрально плотности ускорения; 5 - анализируемый уровень спект ральной плотности ускорения; К - номер шага управления ijНедостатком известного устройства является то, что в цепи обратной связи С11стемы имеют место два процесса, для- щиеся во времени значительный итрезок. Первый из них-устреднение мгновенных значений спектра, которое для повышения точности анализа спект.ра случайного сигнала происходит в течение многих (5О) тактов анализа. Второй процесс - сравнение заданного и анализируемого спектра, которое необходимо для обеспечивания замыкания обратной связи системы. Данные процессы снижают скорость . выхода системы на заданный режим вибрашш и, кроме того, создают условия для возникновения самовозбуждения системы, которое произойдет, если постоянная времени этих процессов имеет примерно одну величину. Целью изобретения является повышение быстродействия и устойчивости устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее задатчик спектра вибраций, блок умножения, выход которого соединен с информационным входом управляемого генератора, выход которого подключен ко входу .цифроанаротэвогй лреобразоватедя, выход которого соединен со входом виброустановки. выход которой подключен ко входу анадого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом фильтра, выход которого подключен к информационному входу первого блока усреднения, введены сумматор, второй блок усреднения, блок деления, мультиплексор, блок регистрации и синхронизатор, выход которого соединен с тактовыми входами управляемого генератора, первого и второго блоков усреднения, фильтра и со входом задатчика спектра вибраций, выход которого подключен к первым входам блоков умножения и деления и к первому информационному входу мутхьтиплек-.; сора, выход которого соединен со входом блока решстрации, выход фильтра подключен ко второму входу блока деления, выход которого соединен с информационным входом второго блока усреднения, управляющий вход которого является входом 3aitycKa устройства, второй информационный вход мультиплексора соединен с выходом первого блока усреднения, второго блока усреднения подключен к :- . первому входу сумматора, выход которого соединен со вторьгм входом блока умножения, второй вход сумматора является информационным входом устройства. На чертеже представлено предпагаемо устройство. Устройство содержит цифро-аналоговы преобразователь 1, виброустановку 2, аналогог-Цифровой преобразователь 3, фильтр 4 блоки усреднения 5 и 6, блок деления 7, задатчик спектра вибрации 8, сумматор 9, блок умножешш 1О, управляемый генератор 11, синхронизатор 12 мультиплексор 13, блок регистрации 14. Устройство работает следующим обра аом. Синхронизатор 12 управляет работой всего устройства. Появление очередного импульса на его выходы приводит к анализу -ой составляющей спектра в фильтре 4, к усреднению ее с предыдущими составляющими спектра в блоке усреднения, 5, к выдаче на выход блока деления 7заданного уровня 4-ой спектральной составляющей к усреднению по экспоненц альному закону результата давления в блоке усреднения бис другими результатами деления блока деления 7 на чао|трте, к приему очередной составляющей спектра в управляемый генератор 11. В начальный момент времени на управляющий вход блока усреднения 6 подается сигнал, при этом на выходе блока усреднения 6 записывается постоянное число О. Это число вычитается из числа в сумматоре 9, на выходе которого сигнал становится равным нулю, что обеспечивает нулевой сигнал на выходе блока умножения. 10, При этом на виброустановку 2 через управляемый генератор 11 и ЦАП 1 подается нулевой сигнал, вибра,цкя на столе виброустановки отсутствует 8результате этого все амплитуды чаототных составляющих спектра на выходе фильтра 1 равны нулю. При этом нулевые значения спектральных амплитуд делятся в блоке делений 7 на значения амплитуд заданного спектра, в результате чего на вход блока усреднения 6 по.ступают нулевые сигналы на всех частотных составляющих спектра. При снятии сигнала с управляющего входа блока усреднения 6 на его выходе происходит в процессе очередного анализа спектра вибрации уменьшение сигнала, имеющие тенденцию в дальнейшем происходить по закону падающей экспоненты. Это приводит к появлению на выходе сумматора 9сигналов, отличных от нуля. В этом случае амплитуда каждой заданной частотной составляющей спектра в задатчике 8 умножается на число, не равное нулю в блоке умножетгия 10, что приводит к появлешпо сигнала на входе генератора 11, который генерирует соответствующий временный случайный сигнал и подает его через ЦАП 1 на вход виброустановки 2, которая создает внбрашпо. Фильтр 4 вновь проиэводтфильтрацию спектра вибрации, и сигнал на вход блока деления 7, на выходе которого для каждой частотной составляющей появляется сигнал, не равный нулю. Это приводит к тому, что замедляется уменьшение сигнала на выходе блока усреднения 6 для каждой частотной составляющей спектра. В процессе дальнейшей работы устройства из-за наличия отрицательной обратной связи на выходе блока усреднения 6 образуется для каждой частотной составляющей спек тра сигнал, несколько меньший числа Q. Их разница умножается на значение амплитуды заданного спектра в блоке умножения 10, на его выходе образуется спектр сигнала, временное отображение которого подается на виброустанонку 2. Спектр вибросигнала делится на соответствующие значения амплитуд заданных спектральных срстаьгтяюцщх задатчиков 8, результат деления усредняется блоком усреднения 6. В результате того, что выходные сигналы усреднителя для всех частотных составляющих спектра приблизительно равны между собой (все нес копько меньше числа Q), то и результаты деления блока деления 7 для всех частотных составляющих спектра таваке равны мегкду собой. А это означает, что устройство поддерживает ,на выходе фильтра 4 спектр сигнала по форме, совпадающий с спектром, заданным в задатчике 8. Так как фильтр 4 является линейной системой, то устройство поддерживает на виброу1;тановке спектр вибрации, задаваемый задатчиком 8. ;... При изменении в ходе работы устройства формы спектра в задатчике 8 информация на .выходе блока усреднения 6 сразу не изменяется, при этом сигнал на выходе сумматора 9 остается прежним, но на выходе блока умножения 10 для каждой частотной составляющей амплитуда сигнала изменяется пропорционально изменению спектра в аадатчике 8. В этом случае на виброустановке сразу : возникает вибрашю с новым частотным спектром, который из-за нелинейности виброустановки не совсем точно отражает заданный вновь спектр вибрации. За- т&А В ходе работы блока усредневвя 6 происжодит корректировка сигнала, подаваемого на виброустановку, еапеэктр вибрации которой становится равным заданном Блок усреднения 5 производит усред{юние спектра, снимае«гого с выхода фига тра 4, и подается через мультиплексор 13 усредненные значения спектра на бло регистра1пт 14. На его экране можно наблюдать, подавая управляющий сигнал на вход мультиплексора 13, то кэобр©тение спектра вибрации, то шображение формы задаваемого спектра, что удобно для их взаимного сравнения. Таким образом, предлагаемое устройство имеет в цепи обратной связи только одно инерционное звено блок усреднения 6, который определяет собой алгоритм управления устройством. Быстродействие всего устройства определяется постоянной времени бл,ока усреднения 6. Эту величину можно сделать достаточно малой, при этом не возтпшют условия для возбуждения устройства, так как в цепи управлетет имеется только одна интегрврующая цепь. Поэтому выход на режим данного устройства осуществляется значда тельно быстрее, чем у прототипа. Кроме того, изменение спектра вибрации в процессе работы устройства осуществляется практически мгновенно. Внедрен:не данного устройства позволяет существенно повысить К 1чество испытуемых изделий. Кроме того, предлагаемое устройство лепсо осуществляет нестационарную вибрацию, когда в ходе испытаний спектр вибросигнала суедесч венно изменяется в течэние времени, так как данное устройство легко отслеживает все изменения спектра, задаваемые задатчиком. Формула изобретения Устройство для воспроизведения широкополос(шх вибраций, содержащее задат чик спектра вибраций, блок y fнoжeния, ВЫХОД которого соединен о информационным входом управ1немого генератора, выход которого подключен ко входу цифроа налогового преобразователя, выходом соединенного со входом виброустановки, выход которой подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходом связанното с информационным входом фильтра, шлход которого подключен к информациовяому входу первого блока усреднения, отличающееся тем, что, с цепью повышения быстродействия устройст а, в него введены сумматор, второй блгк усреднения, блок деления мультэхшексор, блок регистрации и синхронизатор, выход которого соединен с тактовыми входами управляемого генератора, первого и второго блоков усреднения; фильтра в со входом задатчика спектра вибраций, выход которого подключен к первым вхо;дрм блока умножения и блока деления и к первому информационному входу муль, тиштексора, выход которого соединен со входом блока регистрации, выход фильтра подключен ко второму входу блока делекия, выход которого соединен с информационным входом второго блока усреднения, управляющий вход которого является вхоДоМ запуска устройства, второй информационный вход мультиплексора соединен с выходом первого блока усреднения, выход второго блока усреднения подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен со вторым входом блоке умножения, а второй вход сумматора является информационным входом устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Методы и средства автоматизации научных исследований Вычислительная техника в машиностроении. 1978, № 4, с. 125-128. 2.Патент США Мз 3710082, кл. G 01 F 15/34, опублик 1973 (прототип).