Устройство для воспроизведения неоднозначных функций типа петли гистеризиса

 

Изобретение относится к автоматике, моделирующей технике и пьезоэлектронике и может быть использовано в автоматических системах, включающих элементы с гистерезисом , такие как линейные пьезодвигатели, пьезомикрокалькуНяторы, упругодемпфирующие элементы и др., а также при моделировании этих и других физических систем. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения за счет воспроизведения частных и предельного циклов. Поставленная цель достигается благодаря введению в устройство блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса, а также определенному выполнению данного блока. Наличие в составе устройства блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса позволяет учесть зависимость ширины петли диэлектрического гистерезиса и петли электромеханического гистерезиса от температуры окружающей среды и частоты управляющего напряжения,-а также других факторов, влияющих на форму петли гистерезиса . 1 з.п.ф-лы, 3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G Об G 7/25

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4686046/24 (22) 24,03.89 (46) 07,03.92.Бюл, N- 9 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) Т.А.Поплевкин, В.M.Ôèëèïoâñêèé и

А,А. Ерофеев (53) 681.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hL 1288723, кл. G 06 G 7/25, 1984.

Авторское свидетельство СССР

l+ 1282165, кл, G 06 G 7/25, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕ-.

НИЯ НЕОДНОЗНАЧНЫХ ФУНКЦИЙ ТИПА

ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА (57) Изобретение относится к автоматике, моделирующей технике и пьезозлектронике и может быть использовано в автоматических системах, включающих элементы с гистерезисом, такие как линейные

Изобретение относится к автоматике, моделирующей технике и пьезоэлектронике и может быть использовано в автоматических системах, включающих элементы с гистереэисом, такие как линейные пьезодвигатели, пьезомикрокалькуляторы, упругодемпфирующие элементы и другие, а также при моделировании этих и других физических систем.

Известно устройство для воспроизведения гистерезисных функций, содержащее двухканальный аналоговый логический элемент, выполненный в виде компаратора, первый вход которого является информационным входом устройства, а выход подклю Ж 1718244 А1 пьезодвигатели, пьезомикрокальку6яторы, упругодемпфирующие элементы и др., а также при моделировании этих и других физических систем. Цель изобретения повышение точности и расширение области применения за счет воспроизведения частных и предельного циклов. Поставленная цель достигается благодаря введению в устройство блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса, а также определенному выполнению данного блока.

Наличие в составе устройства блока вычисления неоднозначности петли гистерезиса позволяет учесть зависимость ширины петли диэлектрического гистерезиса и петли электромеханического гистерезиса от температуры окружающей среды и частоты управляющего напряжения,. а также других факторов, влияющих на форму петли гистерезиса. 1 з.п.ф-лы, 3 ил, чен к управляющим входам двух переключа- ь телей, подсоединенных выходами устройст- р ва, и первый, второй и третий источники задающих напряжений, второй вход компаратора соединен с выходом первого переключателя, выход первого, второго и + третьего источников задающих напряжений подсоединены соответственно к первому и второму информационным входам первого переключателя и к одному из информационных входов второго переключателя, другой информационный вход которого соединен с первым входом компаратора.

Указанное устройство обладает следующими недостатками; пониженная точность

1718244

40

55 воспроизведения петли гистерезиса вследствие того, что реальная петля гистерезиса включает частные циклы, относительно узкая область применения из-за невозможности моделировать гистерезисные функции механизмов, кроме того, невозможно учесть условия внешней среды.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее последовательно включенные суммирующий нелинейный элемент с характеристикой зоны нечувствительности, интегратор, двухвходовый сумматор, два нелинейных элемента ограничения, а также масштабный усилитель, Недостатками известною устройства являются низкая точность воспроизведения петли гистерезиса вследствие того, что реальная петля гистерезиса включает предельные и частные циклы, кроме того, в случае моделирования петли диэлектрического гистерезиса (ПДГ) либо петли электромеханического гистерезиса (ПЭМГ), присущих линейным пьезоэлектрическим двигателям и микроманипуляторам, невозможно учесть внешние факторы, влияющие на форму и ширину петли гистерезиса.

Цель изобретения — повышение точности и расширение области применения путем воспроизведения частных и предельного циклов петли гистерезиса.

В устройство для воспроизведения не-: однозначных функций типа петли гистерезиса, содержащее последовательно включенные суммирующие нелинейный элемент с характеристикой эоны нечувствительности, первый информационный вход которого является входом устройства, интегратор, нелинейный элемент ограничения и двухвходовый сумматор, выход которого является выходом устройства, введен блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса, первый информационный вход которого соединен с первым входом двухвходового сумматора и с входом устройства, второй информационный вход подключен к выходу интегратора, второму информационному входу суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зоны нечувствительности и к входу нелинейного элемента ограничения, а прямой и инверсный выходы подключены соответственно к входам положительного и отрицательного опорных напряжений суммирующего йелинейного элемента с харак-теристикой зоны нечувствительности, выход нелинейного элемента ограничения соединен с вторым входом двухвходового сумматора, Блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса выполнен в виде пяти масштабных сумматоров, трех элементов выделения модуля и масштабного усилителя, вход которого соединен с выходом первого элемента выделения модуля, подключенного входом к инверсному входу первого масштабного сумматора, прямой вход которого и выход первого элемента выделения модуля являются соответственно первым и вторым информационным входами блока, выход первого масштабного сумматора подключен к прямому входу второго и первому прямому. входу третьего масштабных сумматоров,.инверсный вход и второй прямой вход которых объединены и соединены с выходом масштабного усилителя, выходы второго и третьего масштабных сумматоров подключены соответственно к входам второго и треть-. его элементо выделения модуля и к прямому входу пятого и первому прямому входу, четвертого масштабных сумматоров, второй прямой вход четвертого и инверсный вход пятого масштабных сумматоров соединены с выходами соответственно второго и третьего элементов выделения модуля, а их выходы являются соответственно прямым и инверсным выходами блока.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 — функциональная схема блока вычисления; на фиг. 3статическая характеристика линейного пье-. зоэлектрического двигателя — ПЭМГ, получаемая при помощи предлагаемого устройства.

На фиг. 1 и 2 показаны суммирующий нелинейный элемент 1 с переменной характеристикой зоны нечувствительности, интегратор 2 ° двухвходовой масштабный сумматор 3, нелинейный элемент 4 ограничения, блок 5 вычисления неоднозначности петли гистерезиса, масштабные сумматоры

6-10, элементы 11-13 выделения модуля, масштабный усилитель 14.

Устройство работает следующим образом.

Петля гистерезиса аппроксимируется отрезками прямых (фиг. 3). Уравнение, описывающее петлю гистерезиса по участкам, следующее:

1718244

Одг =

G =с u,„— ug; где

Од1 =

0вых = 0 5 B (UA1 — UA2) + В Х

>< 0вх - 0.5 (! ( — R) (Lax — UA*1)— в

5 — Щ+(О,— Одг) RI — I( — R) Х

Х (ц,„— Од1) — О +(Π— Од1) R I ), (1) где Овых — выходное напряжение устройст- 10 ва;

Ug- выходное напряжение интегратора

2;

 — коэффициент передачи на участках

l и 1И, пропорциональный tg a;

R — коэффициент передачи на участках .

ll, Vl и Vll, пропорциональный tg P;

Овх — входное напряжение устройства;

Од1* — напряжение границы петли гистерезиса нисходящего склона, вычисляемое в блоке 5 вычисления;

UA2*- напряжение границы петли гистерезиса восходящего склона, вычисляемое в блоке 5 вычисления.

Напряжения Од1* и Одг, определяю-. 25 щие зону нечувствительности нелинейного элемента 1, определяются уравнениями д1=с1" (о -o) =05 (G-D — lG+Dl);

1 30 (2) tJA2 = — вах(6, О) =O5C(G+ D+ 16- Dt), 35 (3) 40 о=cc" lupi;

С вЂ” коэффициент передачи масштабного сумматора 12 по первому входу, равный (S-R); . 45

А — коэффициент передачи, равный (BR);

S — коэффициент передачи на участках lV и Ч, пропорциональный tg y;

С вЂ” А — — коэффициент передачи мас- 50

А штабного усилителя 14.

Предельный цикл петли гистерезиса учитывается в виде ф ) С

Од1, ЕСЛИ UA1 > — Од1макс (4) — СВ, ЕСЛИ UA1 — Од1макс, UA2, если UA2 < Одгмакс (5) — СО. ЕСЛИ UA2 ОДгма.с.

На основании выражений (2) — (5) реализуется блок 5 вычисления, Указанные выражения и схемные решения позволяют воспроизвести петли диэлектрического гис-, терезиса и электромеханического гистерезиса, даже если они имеют несимметричный вид. Для учета этой особенности петель коэффициенты В, R, S, А имеют функциональную зависимость. Расчет их производится на 3ВМ с использованием методов параметрической идентификации. При этом точность воспроизведения петли обуславливается только схемотехникой электронных блоков устройства.

Воспроизведение петли гистерезисэ начинается с воспроизведения-основной кривой петли — участок 0 — (фиг. 3) или участок 0 — III в зависимости от Овх. В этом случае в начальный момент времени, когда

Овх=0, Од1=0д2=0, U =0, то и Овых=0. Затем, когда Овх станет, например, больше куля, то

02=В Овх, Сигнал 02 подается на интегратор

2 и интегрируется до тех пор, пока не выпол1 нится равенство U»= — О.с. В это же

С время U» поступает на вход масштабного сумматора 6 блока 5 вычисления неоднородности петли гистерезиса 5, а Оф — на второй инверсный вход масштабного сумматора 6 и вход элемента 11 (фиг. 2).

На выходе масштабного сумматора 6 получают сигнал G=C 0» — U (, а на выходе масштабного усилителя 14 — сигнал

С вЂ” А

Π— lu(l . Сигнал G поступает на

А первый вход масштабного сумматора 7 и второй вход масштабного сумматора 8, а сигнал 0 — на первый вход масштабного сумматора 8 и второй инверсный вход сумматора 7, В результате на выходе масштабного сумматора 7 получают сигнал, равный

G-D, а нэ выходе сумматора 8 — сигнал, равный G+D. Сигнал G+D поступает на вход блока 13 выделения модуля и второй вход сумматора 9. Сигнал G — D поступает на вход блока 12 выделения модуля и прямой вход масштабного сумматора 10. С выхода блока

12 выделения модуля сигнал G — 0 поступает на первый вход сумматора 9, а с выхода блока 13 выделения модуля сигнал G+D — на инверсный вход масштабного сумматора

10. С выхода сумматора 9 получают сигнал

1718244

15 выделения модуля и масштабного усилите20 ля, вход которого соединен с выходом пер25

ОА1 =0,5 — (6+ D+ 16-D I ), а с выхода сум* 1

* 1 матора 10- сигнал Um =0,5 —. (6-D- 16+ О I ).

При медленном изменении входного сигнала U» выходной сигнал устройства

0 х изменяется в соответствии со статической характеристикой — ПЭМГ линейного пьезоэлектрического двигателя (фиг. 3}, При быстром изменении входного сигнала Ширина гистерезиса модели может быть учтена настройкой коэффициента В, Скорость заряда и разряда интегратора 2 зависит от величины В, величины рассогласования U»- ; Щ. Поэтому отставание вы1 ходного сигнала зависит также и от скорости изменения и величины входного сигнала.

Таким образом; предлагаемое устройство позволяет воспроизводить ПЭМГ или

ПДГ, присущие линейным пьезоэлектрическим двигателям и микроманипуляторам с точностью до 0,01ф.

Формула изобретения

1. Устройство для воспроизведения неоднозначных функций типа петли гистерезиса, содержащее последовательно включенные суммирующий нелинейный элемент с характеристикой зоны нечувствительности, первый информационный вход которого является входом устройства., интегратор, нелинейный элементограничения и двухвходовый сумматор, выход которого является выходом устройства, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения .точности и расширения области.применения путем воспроизведения частных и предельного циклов, в него введен блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса, первый информационный вход которого соединен с первым входом двухвходового сумматора и с входом уст30

45 ройства, второй информационный вход подключен к выходу интегратора, второму информационному входу суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зоны нечувствительности и к входу нелинейного элемента ограничения, а прямой и инверсный выходы подключены соответственно к входам положительного и отрицательного опорных напряжений суммирующего нелинейного элемента с характеристикой зоны нечувствительности, выход нелинейного элемента ограничения соединен с вторым входом двухвходового сумматора.

2,Устройство по и. 1, отл и ч а ю щеес я тем, что блок вычисления неоднозначности петли гистерезиса выполнен в виде пяти масштабных сумматоров, трех элементов вого элемента выделения модуля, подключенного входом к. инверсному входу . первого масштабного сумматора, прямой вход которого и вход первого элемента выделения модуля являются соответственно первым и вторым информационными входами блока, выход первого масштабного сумматора подключен к прямому входу второго и первому прямому входу третьего масштабных сумматоров, инверсный вход и второй прямой вход которых обьединены и соединены с выходом масштабного усилителя, выходы второго и третьего масштабных сумматоров подключены соответственно к, входам второго третьего элементов выделения модуля и к прямому входу пятого и первому прямому .входу четвертого масштабных сумматоров, второй прямой вход четвертого и инверсный вход пятого масштабных сумматоров соединены с выходами соответственно второго и третьего элементов выделения модуля; а их выходы являются соответственно прямым и инверсным выходами блока.

1718244

luff

Составитель В.Филиповский 0 3

Техред М.Моргентал Корректор Л.Бескид

Редактор И.Шулла

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 883 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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