Способ регулирования частоты механических колебаний резонансного объекта с электродинамическим возбудителем

 

Изобретение может быть использовано в вибрационной технике, работающей в режиме резонанса. Цель изобретения - повышение степени стабилизации частоты и точности настройки в резонанс. В основу способа положен физический критерий. За счет введения критерия, определяющего условия резонанса и равного отношению интегралов тока якоря электродинамического вибровозбудителя соответственно на первой и второй четвертях каждого полупериода колебаний механического объекта, обеспечивается повышение точности и стабильности частоты возбуждаемых колебаний. Измеряется собственная частота механического объекта, и на эту частоту настраивается генератор, задающий в дальнейшем режим вынужденных колебаний. Изменение собственной частоты под действием внешних факторов вызывает нарушение условия резонанса. Это регистрируется с помощью указанного критерия, и вырабатывается сигнал, воздействующий на параметры механического объекта таким образом, что восстанавливается резонансный режим. 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 05 0 19/02

Г СУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

П ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

П И ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1) 4429677/24-24

2) 20.05.88

6) 23.11,90, Бюл. 1Ф 43

1) Омский политехнический институт

2) О.С.Щукин

3) 62-50 (088.8)

6) Авторское свидетельство СССР

366461, кл. G 05 D 19/02, 1971.

Авторское свидетельство СССР

752254, кл. G 05 D 19/02, 1978.

4) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

ЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАННОГО ОБЪЕКТА С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕКИМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ

7) Изобретение может быть использовано вибрационной технике, работающей в реиме резонанса. Цель изобретения — повыение степени стабилизации частоты и чности настройки в резонанс. В основу особа положен физический критерий. 3а

Изобретение относится к области регуирования механических колебаний еэонансных объектов и может быть исользовано в устройствах вибрационной хники.

Цель изобретения — повышение степеи стабилизации частоты и точности натройки в резонанс.

На фиг.1 и 2 поясняется сущность фиэиеского критерия на примере сейсмоисточика с электродинамическим возбудителем; а фиг.3 — кривые некоторых параметров; на иг.4 — кривые для коэффициента. по кото-. ому определяется резонанс на данной чатотв; на фиг.5 — блок-схема устройства, еалиэующего предлагаемый способ; на иг.6 — эпюры перемещения и скорости Ы 1608625 А1 счет введения критерия, определяющего условия резонанса и равного отношению интегралов тока якоря электродинамического вибровозбудителя соответственно на первой и второй четвертях каждого полупериода колебаний механического объекта, обеспечивается повышение точности и стабильности частоты возбуждаемых колебаний. Измеряется собственная частота механического объекта, и на зту.частоту настраивается генератор,. задающий в дальнейшем режим вынужденных колебаний.

Изменение собственной частоты под действием внешних факторов вызывает нарушение условия резонанса. Это регистрируется с помощью укаэанного критерия, и вырабатывается сигнал, воздействующий на параметры механического объекта таким образом, что восстанавливается резонансный режим. 9 ил. платформы механического объекта, а также токов и напряжений в устройстве, реализующем предлагаемый способ; на фиг.7— электрическая схема блока "Пуск"; на фиг.8 — схема измерителя частоты; на фиг.9 — схема блока линейного изменения напряжения.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

В режиме свободных колебаний измеряют собственную частоту механического объекта.

Переключают механический объект в режим вынужденных колебаний с частотой, равной частоте измеренных собственных колебаний, В процессе работы за счет внешних факторов гроисходит изменение собст1608625 венной частоты объекта и нарушение условия резонанса. Поэтому для поддержания резонанса требуется постоянная подстройка собственной частоты на частоту вынужденных колебаний.

На каждом полупериоде вынужденных колебаний измеряют интегралы тока якоря электродинамического возбудителя S1 и Sz, соответственно для интервалов времени О—

Т/4 и Т/4 — Т/2, где Т вЂ” период вынужден ных колебаний, Определяют отношение интегралов.

По частоте вынужденных колебаний опРОДЕЛЯЮТ ЭНОЧОНИО Крез = f (Щез) СООТВОТснующее условию резонанса.

СРавнивают. значениЯ Крез и К и по Результату сравнения формируют сигнал, изменяющий собственную частоту механического объекта до достижения равенства

K= Крез

В основу способа положен физический .критерий, Сущность критерия поясняется на примере вибратора с электродинамическим возбудителем, на якорь которого подаются прямоугольные знакопеременные импульсы напряжения 0я (фиг,1). В рабочем режиме платформа сейсмоисточника и якорь возбудителя совершают синусоидальные колебания, при этом в якоре индуцируется ЗДС, определяющая ток якоря 4 (т).

Математическая модель вибратора имеет вид

d!

1-я — +Ra 4+Êä N= s я

dt

=К, 4-Ь м-c ..p; (1)

dN

dt б 0

dt где i — ток якоря;

N = 2x fB»H — угловая скорость; р — угол поворота;

L>, R> — индуктивность и активное сопротивление якоря;

Кд — постоянная двигателя;

U> — напряжение на якоре;

Ь вЂ” коэффициент диссипации; с — жесткость упругих элементов (пружин); ! — момент инерции.

Уравнения записаны для двигателя с вращающимся ротором, который через ры. чажный механизм создает колебания платформы с линейной скоростью v(t) и пе. ремещением x(t). Между ми v, ри хустанавливается соответствие через длину плеча рычажного механизма.

Суть критерия в том, что для.определения условия резонанса вводится отношение двух интегралов, определенных на первой и второй четвертях каждого полупериода колебаний

Т/4

j 1яdt

0 $1 т7г. Бг (2)

j I,4т т/4 т.е, критерий представляет собой отношение площадей S1 и $2, полученных на полупериоде (фиг.2).

На фиг.З даны кривые К = $1/$2 и

Тlг

q = / I>dt в зависимости от собственной чаг

15 стоты механического объекта.

Значение q, пропорциональное тепловым потерям в якоре, при резонансе является минимальным. А по самой кривой

К(Nc o 6) ОДНОЗНаЧНО ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ РЕЖИМ

20 работы вибрационного механического объекта, а именно К > Крез дорезонансный;

К = Крез резонанс; К < Крез зареэонансный.

При изменении частоты вынужденных

25 колебаний изменяется значение Крез и зависимость Крез приведена на фиг.4.

Существуют условия „при которых информационные свойства критерия ограни чиваются. Это происходит в том случае, ЗО КОГда ПряМая К = Крез И КрИВая K(Ncog ) пересекаются более, чем в одной точке, что зависит от параметров колебательной системы.

ПРИ особ > гвын ЭТИ ЛИНИИ НЕ ПОРЕСЕКОЮТ35 ся и поэтому в эареэонансном режиме информационные свойства критерия сохраняются в неограниченном диапазоне частот.

В ДОРОЭОНаНСНОМ РЕЖИМЕ fco5 < 4»н ЭтИ

40 линии могут пересекаться при некоторой частоте f«+ и тогда информационные свой- ства критерия сохраняются от частоты fH и выше. Значение нижней граничной частоты f» зависит от добротности механиче45 ского контура Qgex= Т . вl Ь и параметров двигателя L и R . Уменьшение f«x можно осуществить уменьшением (.я или увеличением R>.

Как следует из результатов исследова50 ний,при изменении частоты вынужденных колебаний fB», изменяется значение коэффициента Крез, по которому определяется резонанс на данной частоте (фиг.4). Поэтому в устройстве, реализующем данный крите55 рий, должен присутствовать блок, восп. роизводящий нелинейн ю зависимость

Крез(1еын). Перед настройкой нелинейного блока следует провести следующие расчетные операции.

1608625 са

fâ и ж и и м ти

P— езг

Н ле но та

Щс до ях эт за во ме му

2, ем чи

5, од не бл чи

17 бл те

28 ме вы пл де ст ст бо мо вы де

На

Для конкретного вибратора с известныпараметрами Ь,Т, L>, R> по уравнениям производится расчет режимов резонандля трех значений вынужденных частот н 1, fBblH 2i BblH З, ОбЕСПЕЧИВая рЕЗОНаНС 5 бором коэффициентов жесткости пруН С1, С2, СЗ. ДЛЯ КаждОга значвниЯ чаСтОты (2) ОпРедвляютСЯ Крез 1, Крез 2 Крез 3, ле чего, используя интерполяционный огочлен Лагранжа, составляется анали- 10 еское выражение кривой в виде

Крез (твын) = твын + g твын + h, г

=Р1+Р2+Рз ° линейный блок настраивается по вычисным значениям р, g, h.

В процессе регулирования по описану критерию изменение коэффициендиссипации Ь вызовет отклонение в от врез, поэтому данное устройство жно работать при постоянных значени.Ь, либо с известным законом изменения го коэффициента. Во втором случае этот он должен учитываться при расчете криКрез (твып).

Устройство для настройки в резонанс анических объектов содержит платфор1 с электродинамическим возбудителем становленную на пружинах 3 с регулируй жесткостью. Платформа связана с датом 4 скорости движения платформы.

Устройство также содержит компаратор лок 6линейного изменения напряжения, овибратор 7, измеритель 8 частоты, геатор.9, усилитель 10, датчик 11 тока, к 12 анализа, удвоитель 13 частоты, клю14 и 15, компаратор 16, одновибраторы и 18, интеграторы 19 и 20, ключи 21 и 22, ки 23 и 24 памяти, делитель 25, усилиь 26, блок 27 нелинейности, Блок "Пуск" (фиг.7) содержит инверторы и 29; цепь 30 задержки; логический элет И-НЕ 31; диоды 32 и 33. Этот блок олняет следующие функции — снимает тформу со стопорчого устройства и заживает включение усилителя 10 мощнона полпериода колебаний.

При нажатии кнопки "П" включается парное устройство и платформа осводается от стопора. Так как в первый ент она неподвижна, то напряжение на оде датчика 4 скорости 04 = 0 и на выхонвертора 28 существует. логическая "1". выходе цепи 30 задержки эа счет временной задержки действует "0", поэтому на выходе элемента 31 — сигнал "1", а на выходе инвертора 29 — "О". Снятая со стопора платформа начинает движение, и.на датчике скорости 4 появляется напряжение 04 > О, что приводит к появлению на выходе инвертора 28 сигнала "0", который, однако, не изменяет состояние выходов элемента 31—

"1" и инвертора 29 — "О". Через полпериода колебания платформа окажется в нижнем крайнем положении и снова 04 - О, а на выходе инвертора 28 появится "1". К этому времени на выходе цепи задержки 30 также появится "1", так как постоянная времени для цепи 30 задержки устанавливается так, чтобы через полпериода колебаний на выходе цепи задержки 30 появилась логическая

"1". Таким обре юм через полпериода колебаний после пуска на обоих входах элемента 31 появляется "1", и на выходе инвертора

29 также "1", которая через прямо включенные диоды 32 и 33 прикладывается к обоим входам элемента 31, запрещая в дальнейшем изменение состояния элемента 31, а значит и инвертора 29. Выходной сигнал инвертора 29, имеющий значение "1", включ ит ус ил и тел ь 10.

Измеритель 8 частоты, изображенный на фиг,8, содержит двухвходовый логический элемент И 34, инвертор 35, аналоговый ключ 36, интегратор 37, делитель 38 аналоговых сигналов. Этот блок осуществляет измерение собственной частоты колебаний механического объекта, хранение и выдачу информации об этой частоте. Измерение частоты осуществляется нз основе интегрирования функции. При этом на выходе

t интегратора напряжение U = (0101= 01 t, о а если интегрирование ведется на интервале времени (Π— Т/2), то U = 01Т/2 = U1/2f, где f — измеряемая частота. После операции деления постоянного напряжения 02 íà U на выходе 8 напряжение

0з= f=a f, 202

01

Описанный алгоритм в блоке 8 осуществляется следующим образом, Во время измерения частоты на входе "Стоп" действует логический "0", и на выходе инвертора 35 существует "1",замыкающая ключ 36. В результате на первый вход интегратора 37 подается постоянное напряжение 01, Начало измерения определяется моментом появления короткого импульса "1" на входе "3aпуск", отчего на обоих входах элемента 34 поязляются "1" и с выхода элемента 34 короткий импульс "1" производит обнуление интегратора 37. Измерение завершается в

1608625 платформу 1 и она начинает свое движение вниз, при этом на первом полупериоде колебаний двигатель не включается и платформа 1 совершает свободное колебание (фиг,6}.

За время свободного колебания в устрОйстве измеряется собст 3енная частота механического объекта, При движении платформы 1 на выходе датчика 4 скорости по.является напряжение U4, включающее компаратор 5. По переднему фронту сигнала. О5 компаратора 5 срабатывает одновибратор 7 и импульсом U7 включает измеритель 8 частоты, Через полпериода, когда платформа 1 окажется в крайнем ни>кнем поло>кении (принято t = 0), напряжение

50 момент появления на входе "Стоп" сигнала

"1"; в этом случае на выходе инвертора 35 появляется "Х, который размыкает ключ 36, НО не изменяет сОстояние выхОда элемента

34, гак как там на входе *Запуск" действует 5

"0". В резульгате на выходе интегратора 37 сохраняется постоянное напряжение UH =- U>t, Для измерения частоты интервал времени между импульсом "1" на входе "Запуск" и "1" на входе *CTGri" должен ра нять- 10 ся Т/2, Для получения высокой точности хранения напряжения 7 в качестве операционных усилителей в блоке 8 могут быть применены электрометрические усилители с входными токами 10 ",;. 10 А )10). 15

Блок 6 (Фиг,9) содержит одное IbpaTop

39, возбуждающийся задним фронтом входного сигнала, инверторы 40 и 41 и диод 42.

Этот блок реагирует только на первый прямоугольный импульс напряжения, пос у- 20 пивший на вход, задним фронтом которого изменяется состояние выхода блока 6 с "0" на "1" и фиксируется после этого. Блок 6 работает следующим образом, Пока на вход блока не поступил прямоугольный импульс напряжения,на вых6де одновибратора 39 действует "0". а на выходах инверторов 40 и

41 соответственно "1" и "0". При появлении прямоугольного импульса на входе блока 6

em состояние не изменится,;à не пройдет задний фронт этого импульса, который возбудит одновибратор 39 и на его выходе появится "1". Эта "1" изменит состояние выхоцов инвертОра 40 на "0", инвертора

41 — на "1", С выхода 41 сигнал "1" врез прямо включенный диод 42 пост /пит на вход инвертооа 40 и тем самь|м зафиксирует состояние выхода блока 6, Устройство работает следующим образом, Перед пуском платформа 1 удерживается в одном из крайних положений, например в верхнем. При поступлении команды

"Пуск" стопорное устройство отпускает на выходе датчика 4 скорости равно нулю в компаратор 5 закроется; при этом задний фронт выходного напряжения компаратора

5 запустит блок 6, который напряжением UI> остановит измерение в блоке 8, переводя его в режим хранения информации, Напряжение выхода блока 8 будет постоянно существовать на входе генератора 9, определяя его частоту, равную частоте собственных колебаний механического объекта в момент ее измерения, В момент времени t = 0 механический обьект переводится в режим вынужденных колебаний подачей через блок "Пуск" сигнала на включение усилителя 10 мощности и на элект родинамический вибровозбудитель

2, через датчик 11 тока. подается напряжение U>o, при подаче напряжения в якоре возбудителя 2 протекает ток, определяемый уравнением движения механического объекта и величиной питающего напряжения

U n. Частота напряжения О1о задается генератором 9. Для получения на каждом полупериоде колебаний интегралов

ТГ4 Тб2

SI = f 4г1т, Sz = j 40 напряжение с генеО Т/4 ратора 9 поступает на удвоитель 13 частоты, предназначенный дпя выделения моментов времени с дискретностью Т/4, Рассмотрим работу блока 12 на полупериоде вынужденных колебаний. Напряжение О та с удвоитепя 13 частоты поступает на кбмпаратор 16, формирующий прямоугольные импульсы О в. По переднему фронту импульса О1в срабатывает одновибратор 17 и импульсом О17 замыкаются кл1очи 21 и 22 и блоки 23 и 24 памяти переводятся в режим

"Запись". При этом с выходов интеграторов

19 и 20 значения S> и Sz, полученные на предыдущем полупериоде, записываются в блоках памяти 23 и 24 соответственно, После исчезновения импульса Оп ключи 21 и

22 разомкнутся, а блоки 23 и 24 памяти перейдут в режим хранения. По заднему фронту UIi срабатывает одновибратор 18 и импульсОМ Ом Обнуляет интеграторы 19 и

20. Таким образом в начале текущего полупериода колебаний выбирается информация S и Sz за предыдущий полупериод и подготавливаются каналы к получению этой информации на текущем полупериоде. С блоков памяти 23 и 24, находящихся в режиме "Считывание", напряжения, пропорциональные Я; и Б2.,поступают в делитель 25, с выхода которого напряжение Ок = S>/S2 поступает на прямой вход дифференциального усилителя 26, на инвертирующий вход которого поступает напряжение

Окрез = Yipes (4ын) с блока 27 нелинейности, 1608625

На в иэм чес 4

U лир вып щем ка пре дит

Я1и жен а кл

Сиг рат, вых зом чик зна од блока 27 напряжение поступает от рителя 8 частоты, апряжение с выхода усилителя UzeUx.pea вОВдейству8т на органы регувания жесткости пружин 3 так, чтобы лнить условие 0»= (4,роз. Пока на текуполупериоде осуществляется настройрезонанс по значениям Si u Sz

ыдущего полупериода блок 12 проиэвоычисление новых значений интегралов

32. В интервале времени 0 — Т/4 напряе Un отрицательное и ключ 14 замкнут, ч 15 с инверсным входом разомкнут.

an с датчика 11 тока поступает в интегр 19 и значение S> сохраняется на его де. В интервале Т/4 — Т/2 ключ 14 ранут, а ключ 15 замкнут и сигнал с дат11 поступает в интегратор 20 и ение Sz сохраняется íà его выходе, ормула изобретения пособ регулирования частоты механиих колебаний резонансного объекта с

Ъ

1 (у электродинамическим возбудителем, при котором измеряют собственную частоту механических колебаний объекта, а затем переводят объект в режим вынужденных

5 колебаний с частотой, равной собственной частоте колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения степени стабилизации частоты и точности настройки в резо.нанс, на каждом полупериоде вынужденных

10 колебаний измеряют интегралы тока якоря электродинамического возбудителя S> и Sz соответственно для интервалов времени

Π— Т/4 и Т/4 — Т/2, где Т вЂ” период вынужденных колебаний: определяют отношение

15 интегралов K = 31/Я, по частоте вынужденных колебаний определяют значение К><з, соответствующее условию резонанса; срав. нивают значения Крез и К и при К Крез изменяют частоту собственных механиче20 ских колебаний объекта за счет изменения жесткости его упругих элементов до установления резонанса, 1608625

1608625

Составитель В.Пилишкин

Редактор С.Патрушева Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Самборская

Заказ 3616 Тираж 644 Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 191