Устройство для управления вибрацией

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву(22) Заявлено 121081 (21)1 3343006/18-24 с присоединением заявки Н9(23) Приоритет—

Опубликовано 0703.83. Бюллетень )4о 9

Дата опубликования описания 07.03.83 (51 ) М. Кп. з

6 05 В 19/01

Госуиарственный комите(СССР но делим изобретений и открытий (533УДК 62»0.355 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Н.П.Попков и A.A.Êoëóïàåâ

/

Специальное конструкторско-технологическое, бюро с опытным производством при Белорусском государственном университете им. В,И.Ленина (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВИБРАЦИЕЙ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к системам цифрового программного управления сервомеханиэмами, и может найти применение в различных виброиспытательных и моделирующих устройствах °

Известно учтройство регулирования вибрацией, содержащее последовательно соединенные измерительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки спектральной плотности мощности (PSD), схему сравнения, второй вход которой подключен к задатчику PSD, множительную схему, второй вход которой подключен к статистическому генератору, временной преобразователь, условно-вероятную машину, блок обработки информации, цифроаналоговый преобразователь, исполнительный орган и испытываемый объект(1) °

Известно устройство цифрового уп-. равления вибрационными испытаниями, содержащее последовательно соединенные блок ввода-вывода, вычислительную машину, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, исполнительный орган, измерительный преобразователь, выход которого подключен к входу вычислительной машины 1 ).

Известные устройства не обеспечивают контроль амплитуды подвижной системы и поэтому имеют низкую точность воспроизведения вибраций с заданными параметрами, поскольку реальные испытываемые объекты представляют собой многорезонансные динамические системы, обладающие ярко выраженными частотно-избирательными свойствами.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее последовательно соединенные UHфроаналоговый преобразователь, усилитель, исполни-. тельный двигатель, датчик положения, первую схему сравнения, генератор входных сигналов, первый выход которого соединен с вторым входом первой схемы сравнения, вторую схему сравнения, выход которой йодключен к цифроаналоговому преобразователю, а второй вход ее — к выходу блока дифференцирования, вход которого подключен к выходу датчика положення 2 j .Недостатком устройства является то, что в динамических режимах могут

1003017 быть значительные отклонения по фазе истинного значения вибрации по сравнению с заданной по программе из-за статической ошибки в контуре стабилизации скорости. Поэтому для исключения статической ошибки после вто- 5 рой схемы сравнения необходимо интегрирующее звено, тогда отклонение регулируемой величины от управляющего воздействия стремится к нулю независимо от величины воздействия.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления вибрацией, содержащее последовательно сое- 15 диненные цифроаналоговый преобразователь, усилитель и исполнительный орган, генератор сигналов, соединенный первыми входом и выходом соответственно с выходом и первым входом первого блока сравнения, вторым входом с первым входом цифроаналогового преобразователя, а третьим выходом с первым входом второго блока сравнения, подключенного вторым выходом к выходу преобразователя временной интервал — код, введены интегратор и измерительный преобразователь., подключенный первым выходом к второму входу первого блока сравнения, вторым выходом к входу преобразователя временной интервал — код, первым входом к второму выходу генератора входных сигналов, а вторым входом к выходу исполнительного органа, причем вход интегратора связан с выходом второго бло- З5 ка сравнения, а выход — с входом цифроаналогового преобразователя.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — блок-схема генератора сигналов; на фиг.3 — блок 4О схема интегратора; на фиг ° 4 — блоксхема одного из вариантов измерительного преобразователя; на фиг. 5— временная диаграмма этого варианта измерительного преобразователя; на фиг. 6 — график заданной функции

f=x(t) на фиг. 7 — график коррекции скорости и формирования управляющего сигнала.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 входных сигналов, второй блок 2 сравнения, интегратор 3, цифроаналоговый преобразователь 4 (ЦАП), усилитель 5, исполнительный орган 6, измерительный преобразователь 7, преобразова тель 8 временной интервал-код,первый блок 9 сравнения; N, М,  — задающие параметры в цифровом коде управления исполнительным органом б соот- 60 ветственно положения, скорости и знака. N„ > М - обратная связи (измеренное истинное значение) по положению и скорости исполнительного блока 6, E — импульсный выход измерительного 65 преобразователя 7, ++ — сигнал рассогласования.

Генератор 1 сигналов содержит кольцевой регистр 10,матрицу 11 постоянного перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) и регистры памяти положения 12, скорости 13 и знака 14.

Интегратор 3 содержит генератор

15 импульсов, предварительный делитель 16, управляемый делитель 17, первый элемент И 18 и второй элемент

И 19, реверсивный счетчик 20, схему

21 защиты от опрокидывания реверсивного счетчика 20,инвертор 22,выход

23, установка 24 предварительного делителя 16, управляющий вход 25 (сигнал рассогласования + с ).

Измерительный преобразователь 7 содержит. преобразователь 26 неэлектрической величины в аналоговый электрический сигнал, измерительный усилитель 27, компаратор 28, линейный

ЦАП 29, реверсивный счетчик 30, триггер 31 запуска, генератор 32 эталонной частоты, первый, второй, третий элементы И 33 — 35, инвертор 36, переключатель 37 запуска, выход цифровой (И,„), выход импульсный (E), вход знаковйй (В), вход (А) °

Измерительный преобразователь 7 предназначен для преобразования неэлектрической физической величины (перемещения, усилия, давления, температуры) в электрический нормализованный сигнал и далее преобразования его по уровню в цифровой код, а скорости изменения сигнала во временной интервал, в котором преобразование аналогового электрического сигнала измерительного усилителя 27 в квантованный по уровню цифровой код осуществляется по принципу следящего АЦП.

Второй блок 2 сравнения представляет схему параллельного комбинационного сумматора, которая реализует алгоритм МЗ- 4= + «

Сигнал на выходе (цифрового) ин-. тегратора 3 изменяется по алгоритму

1 1 }=

2.О где К вЂ” коэффициент, устанавливаемый в предварительном делителе 16;

d — переменный коэффициент деления (сигнал рассогласования второго блока 2 сравнения), поступающий на управляемый делитель 17.

ЦАП 4 представляет схему линейного

1IAII с управляемым переключателем полярности напряжения. Усилитель 5 и исполнительный орган б выполнен по известным техническим решениям в электрогидравлических вибрационных установках. В качестве исполнитель1003017 ного органа может быть и другой сервомеханизм (пневмоцилиндр, электродвигатель и др.).

Устройство работает следующим образом.

При поступлении питания (на блок- 5 схеме цепи питания не показано) реверсивный (асинхронный) счетчик 30 обнулен и на выходе линейного ЦАП 29 сигнал нулевого уровня. Если на выходе измерительного усилителя 27 так-1О же сигнал нулевого уровня, то на выходе компаратора 28 появляется сигнал логического 0, который переключает триггер 31 запуска,и элементы И 33 и 34 пропускают пачку импульсов с ге- 5 нератора 32 эталонной частоты с частотой f на реверсивный асинхронный счетчик 30.На выходе линейного ЦАП 29 появляется ступенька напряжения,а на выходе компаратора 28 — логическая 1,которая переключает триггер

31 запуска, а первый элемент И 33 пропускает импульсы с генератора 32 эталонной частоты. Таким образом, схема подготовлена к работе.

Если же перед пуском устройства . на выходе измерительного усилителя

27 имеется установочный сигнал, то нажатием на переключатель 37 запуска пропускают импульсы генератора

32 эталонной частоты на реверсивный асинхронный счетчик 30, пока сигналы на входах компаратора 28 сравняются,и далее после отпускания переключателя 37 запуска, схема устанавливается в рабочее состояние, как 35 было описано выше.

На реверсивный асинхронный счетчик 30 поступает пачка импульсов с целью исключения переключения схемы от случайного одиночного импуль- 4р са (помехи или сбоя), а также с целью получения опережающего реверса реверсивного асинхронного счетчика

30 в экстремальных точках (точка Р на временной диаграмме фиг. 4). Для 45 этого младшие разряды реверсивного асинхронного счетчика 30 остаются свободными.

Преобразователь 8 временной интервал — код предназначен для преобразования временно интервала, обратно пропорционального скорости изменения сигнала (скорости исполнительного органа б) в цифровой код.

Первый блок 9 сравнения выдает одиночный импульс при равенстве ко3 +

Работа устройства цифрового Управления вибрацией основана на том, что любая заданная функция f õ(t), которая должна воспроизводиться испол- 60 нительным органом б, может быть аппроксимирована кусочно-линейными участками с требуемой точностью (фиг. 5). Затем исполнительный орган

6 как .бы интерполирует заданную функ- 65 цию f õ(t) по программе, отслеживая каждый заданный кусочно-линейный участок, для чего в память матрицы 11

НПЗУ генератора 1 (входных) сигналов заносятся координаты и знак наклона линейных участков. При этом координаты узловых точек задаются в цифровом коде величиной уровня (например Х?), ХX — Х а угол наклона cL=arctd †-"линей к ного участка KL величиной временного интервала bt в цифровом коде на дискретном участке hx изменения уровня сигнала, так как угол наклона кусочно-линейных участков или скорость

Ч изменения сигнала во времени при равномерном квантовании амплитуды (Ax=const)обратно пропорциональны временидй изменения сигнала на дискретных участках.

< = V х 1

Dt Д

Величина уровня сигнала определяет положение исполнительного органа б, а наклон линейного участка — заданную скорость исполнительного органа

6.

Смена программы в регистрах 12—

14 генератора 1 (входных) сигналов происходит автоматически по узловым

f точкам при совпадении в первом блоке

9 сравнения заданного уровня сигнала

Х(ИЗ) с действительным положением

И исполнительного органа 6, измереннйм посредством измерительного преобразователя 7, при этом заданный наклон кусочно-линейного участка отрабатывается контуром стабилизации скорости (преобразователь 8, второй блок

2 сравнения, интегратор 3, IJAII 4) °

Коррекция скорости осуществляется на каждом дискретном участке пути ЬХ путем сравнения измеренного временного интервала ht>(М ) с заданным сигналом

ht (M ) во втором блоке 2 сравнения.

На фиг. 7 показан график коррекции скорости и формирования управляющего сигнала, где I — заданная функция

y x(t),II - аппроксимация заданйой функции; III — истинное значение воспроизведенной функции, IY — управляющий сигнал f — частота генератора 15

01 импульсов, Й0 — частота на выходе управляемого делителя 17. Сигнал рас-.

I согласования A t< t<, t t ) уменьшается дискретно, увеличивая автоматически и дискретно постоянную времени цифрового интегратора З,приближая с каждым дискретом сигнал рассогласования д к нулю. Этим и достигается высокая точность как по амплитуде, так и по фазе воспроизведенной функции.

Для устойчивой работы различных замкнутых систем в предварительном делителе 16 (цифрового) интеграто1003017 ра 3 можно предварительно заносить необходимый коэффициент деления (коэффициент усиления) .

Рассмотрим работу устройства на примере конкретной реализации устройства. По сигналу Пуск (на 5 блок-схеме цепи питания не показано) на выходных шинах N, Мз, В появляется первое управляющее слово, которое задает отработку первой координаты, например, точка К на фиг. 5, б. Поскольку в момент пуска сигнал M„=O, то сигнал рассогласования второго блока 2 сравнения cf=N> т.е. имеет максимальное значение. Этот сигнал устанавливает коэффициент

15 деления управляемого делителя 17 (цифрового) интегратора З,и импульсы частотой 202(фиг. 6) с генератора 15 импульсов через элемент И 18 поступают на реверсивный счетчик 20, который накапливает их с частотой

На выходе ЦАП 4 фор ируется уп- . равляющее напряжение U f dt, Как только исполнител нйи орган

ОЯ б приходит в движение (вперед, вверх), возрастает сигнал на выходе измерительного усилителя 27 измерительного преобразователя 7, а на выходе компаратора 28 появляется логический 0, который переключает триггер 31 запуска, и на реверсивный 30 .асинхронный счетчик 30 проходит пачка импульсов. На выходе линейного ЦАП

29 пояьляется нормированная ступенька напряжения, а на выходе компаратора 28 снова появляется логическая 1, котораявозвращает триггер 31 запуска в начальное состояние, а элемент И 33 пропускает импульсы. При увеличении сигнала А цикл повторяется, отмеряя напряжение на кван- p() тованную величину по уровню. Тогда на выходе Е триггера 31 запуска образуется импульсный сигнал, период

Т которого обратно пропорционален скорости изменения сигнала А, т.е. скорости исполнительного органа б.

Выходной код с реверсивного асинхронного счетчика 30 поступает на первый вход первого блока 9 сравнения для опроса сигнала по уровню, а импульсный сигнал Š— на вход преобразователя 8, в котором измеряется временной интервал и преобразуется в цифровой код, который затем транслируется на второй вход второго блока 2 сравнения.Во втором блоке 2 сравнения опять

55 происходит алгебраическое сложение измеренного сигнала с заданным. Вычисленный сигнал рассогласования d устанавливает новый коэффициент деления управляемого делителя 17 (цифро- 60 вого) интегратора 3. На выходе ЦАП

4 возрастает управляющее напряжение с большей постоянной времени (участок t„ ;t> фиг. 6). При отсутствии рассогласования на выходе второго блока 2 сравнения на вход реверсивного счетчика 20 импульсы не поступают, и управляющее напряжение на выходе ЦАП 4 сохраняет постоянное значение, а при отрицательном сигнале рассогласования с реверсивный счетчик 20 вычитывает импульсы с частотой f и управляющий сигнал на выходе ЦАй 4 уменьшается. При совпадении истинного положения исполнительного органа 6 с первой заданной координатной узловой точки (точка К на фиг. 5) первый блок 9 сравнения выдает импульс, по которому генератор 1 входных сигналов считывает новое слово, записанное в программе для отработки очередного кусочнолинейного участка заданной функции (KL на фиг. 5), и процесс повторяется.

B экстремальных точках (точка Р на фиг. 5) на выходе регистра 14 знака генератора 1 входных сигналов происходит смена знака, по которому изменяется направление счета реверсивного асинхронного счетчика 30 измерительного преобразователя 7 и меняется полярность управляющего напряжеI ния на выходе ЦАП 4. Исполнительный орган б по этому сигналу осуществляет реверс.

Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется сравнение на каждом дискретном участке пути исполнительного органа б с заданными параметрами и соответствующая при этом коррекция. При этом алгоритм управления и коррекции прост, так как выполняются элементарные простей. шие операции (исключены операции умножения, деления). Этим достигается высокое быстродействие, а следовательно, и требуемая точность.

Предложенное устройство позволяет проводить ускоренные стендовые виброиспытания различных узлов, конструкций и трансгортных средств с

Гвысокой точностью воспроизведения за 1 .,цанного процесса испытания.

Ускорение виброиспытаний в этом случае достигается эа счет того, что, не искажая существенно накопленного повреждения, воспроизводят программно .не весь процесс нагружения (вибрации), а лишь часть его, влияющую на разви.тие усталостного разрушения. Сокращение сроков испытаний при этом может достигнуть 10-100 раз по сравнению с полигонными или стендовыми, приближенными к ним.

Формула изобретения

Устройство для управления вибрацией, содержащее последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель и исполнительный

1003017

10 орган, генератор сигналов, соединенный управляющим входом и первым выходом соответственно с выходом и первым входом первого блока сравнения, вторым выходом с первым входом цифроаналогового преобразователя, а треть5 им выходом с первым входом второго блока сравнения, подключенного вторым входом к выходу преобразователя временной интервал — код, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены интегратор и измерительный преобразователь, подключенный первым выходом к второму входу первого блока сравнения, вторым выходом 15 к входу преобразователя временной интервал — код, первым входом к второму выходу генератора сигналов, а вторым входом к выходу исполнительного органа, причем вход интегратора связан с выходом второго блока сравнения, а выход — с входом цифроаналогового преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Чеголит П.М. и др. Цнфровая система управления вибрационными испытаниями технических объектов.— Методы и средства автоматизации научных исследований . Минск, ИТК AH БССР, 1978, вып.. 4,с.125-128.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 736055, кл. G 05 В 23/02, 1980 (прототип) .

1003017

1ОО3О17

Заказ 1548/29 Тираж 872

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений. и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н..Горбунова

Редактор Т.Кугрышева Техред С,Мигунова Корректор M.Êîñòà