Устройство для формирования случайных вибраций

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ . СЛУЧАЙНЫХ ВИБРАЦИЙ, сЬдержащее генератор белого шума, многоканальный формирователь, многоканальный регулятор уровня, каждый канал которого состоит из регулируемого усилителя и задатчика, сумматор, к входам которого подключены выходы регулируемых усилителей, последовательно соединенные усилитель мощности. Uf НШ входом подключенньй к выходу сумматора , возбудитель механических колебаний с вибродатчиком и блок измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности формирования спектра вибраций, в него введены матричный пересчетньй блок« входы которого подключены к выходам задатчика, a вькоды - к управляющим входам регулируемых усилителей в каждом канале п-канального регулятора уровня, фильтр низких частот, подключенный к выходу генератора белого шума, a г -канальный формирователь вьтолнен в виде 2 м послеg довательно соединенных ортогональных. фильтров, вход первого из которых подключен к выходу фильтра низких частот, и г вычитателей, при этом вькоды ортогональных фильтров попарно , начиная со средних, подключены к входам соответствующих вычитателей , выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих « регулируемых усилителей п-канального регулятора уровня. ел Г2гп

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

g g Я 01 М 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3536195/18-10 (22) 31. 12. 82 (46) 30.08.84. Бюл й32 (72) Б.М.Лосьев и А.А.Каратьпп

la (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им.Серго Орджоникидзе (53) 621.537.2(088.8) (56) I Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., "Советское радио", 1977, с.523.

2. Кузнецов А.А.Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики. М., "Энергия", 1976, с.120 (прототип) . (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ

° СЛУЧАЙНЫХ ВИБРАЦИ, содержащее генератор "белого" шума, многоканальный формирователь, многоканальный регулятор уровня, каждый канал которого состоит из регулируемого усилителя и эадатчика, сумматор, к входам которого подключены выходы регулируемых усилителей, последовательно соединенные усилитель мощности, l

ÄÄSUÄÄ 1111045 входом подключенный к выходу сумматора, возбудитель механических колебаний с вибродатчиком и блок измерения, о т л и ч а ю щ е е .с я тем, что, с целью повышения точности формирования спектра вибраций, в него введены матричный пересчетный блок, входы которого подключены к выходам задатчика, а выходы — к управляющим входам регулируемых усилителей в каждом канале п -канального уегулятора уровня, фильтр низких частот, подключенный к выходу генератора

"белого" шума, а и --канальный формирователь выполнен в виде 2п последовательно соединенных ортогональных. фильтров, вход первого из которых подключен к выходу фильтра низких частот, и и вычитателей, при этом выходы ортогональных фильтров попарно, начиная со средних, подключены к входам соответствующих вычитателей, выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих . регулируемых усилителей и --канального регулятора уровня.

1111045

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для Формирования случайных вибраций.

Известно устройство для формирова- 5 ния заданного сигнала, содержащее последовательно соединенные источник сигнала, ортогональные фильтры (линии задержки), набор регулируемых усилителей и сумматор (13.

Устройство позволяет формировать требуемую функцию времени, разлагая ее по ортогональной системе функций.

Требуемая форма сигнала реализуется на выходе регулируемых усилителей, на вход которых поступает сигнал с выхода соответствующих ортогональных фильтров. Коэффициент передачи усилителей соответствует коэффициентам разложения заданной функции времени по ортогональному базису.

Устройство можно использовать в различных формирующих системах, однако оно не располагает средствами для формирования заданного вибропро25 цесса.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для формирования случайных вибраций, содержащее последовательно соединенные генератор белого шума и многоканальный формирователь, выполненный в виде набора частотноизбирательных фильтров, многоканальный .регуляторов уровня, каждый ка- j5 нал которого включает регулируемый усилитель, задатчик, выход которого подключен к управляющему входу соответствующегб регулируемого усилителя, сумматор, к входам которого под- 40 ключены выходы регулируемых усилителей, последовательно соединенные усилитель мощности, вход которого подключен к выходу сумматора, и возбудитель колебаний, на подвижной 45 части которого установлен вибродатчик, а также аппаратуру изменения и анализа, подключенную к выходу вибродатчика (2).

Известное устройство позволяет 50 формировать заданный спектр вибраций, однако наличие большого числа частотно-избирательных фильтров, имеющих неидеальные частотные характеристики, снижают точность формиро- 55 вания спектра. Кроме того, недостатками являются сложность настройки и высокая стоимость изготовления фильтров.

Цель изббретения — повышение точности формирования спектра вибраций.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для формирования случайных вибраций, содержащее генератор "белого" шума, многоканальный формйрователь, многоканальный регулятор уровня, каждый канал которого состоит из регулируемого усилителя и задатчика, сумматор, к входам которого подключены выходы регулируемых усилителей, последовательно соединенные усилитель мощности, входом подключенный к выходу сумматора, возбудитель механических . колебаний с вибродатчиком и блок измерения, введены матричный пересчет-. ный блок, входы которого подключены к выходам задатчика, выходы — к управляющим входам регулируемых усилителей в каждом канале и --канального регулятора уровня, фильтр низких частот, подключенный к выходу генератора

"белого" шума, а и-канальный формирователь выполнен в виде 2 и последо вательно соединенных ортогональных фильтров, вход первого из которых подключен к выходу фильтра низких частот, и и вычитателей, при этом выходы ортогональных фильтров попарно, начиная со средних, подключены к входам соответствующих вычитателей, выходы которых соединены с . сигнальными входами соответствующих регулируемых усилителей,п -канального регулятора уровня.

Реализация формирователя на основе ортогональных фильтров позволяет исключить частотно-избирательные (полосовые) фильтры прототипа, имеющие неидеальные частотные ха-. рактеристики. Выполнение же ортогональных фильтров на основе ВС-элементов, имеющих незначительные аппаратурные погрешности, позволяет повысить, точность формирования.

Кроме того, точность формирования в предложенном решении может быть повьппена увеличением числа ортогональных фильтров, т.е. увеличением числа членов разложения, причем добавление новых членов не меняет значения ранее полученных членов ряда. В известных же системах на основе полосовых фильтров увеличение числа фильтров не обеспечивает повьппения точности. В предложенном техническом решении в качестве ортогональных фильтров использованы

1111045 фильтры Лагерра. Подключение, фильтров Лагерра к вычитателям дает импульсный отклик формцрователя в вице

30 где 9(ьо;)- отсчеты огибающей заданного спектра сигнала, взятые для значений

"И)= и). ,:К вЂ” количество отсчетов; йы„-i-поддиапазон частот формируемого спектра; ) щ (;) — отсчеты огибающей полиномы

Чебьппева Т <„ +„ порядка, взятые для значений co= м „.

40

Аппаратурная реализация выражения осуществляется с помощью матричного пересчетного блока,. на входы которого поступают отсчеты заданного спектра и отсчеты значений полиномов

Чебышева, взятые на оси .частот для значений и)= и> . Отсчеты заданного

1 спектра и значения полиномов Чебышева записаны в блоке памяти задатчика.

Причем отсчеты формируемого спектра учитывают неравномерность частотной характеристики возбудителя колебаний, °

Это предискажение спектра необходимо для компенсации неравномерности частотной характеристики возбудителя колебаний.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

50

55 где L — импульсный отклик фильт- 10 и+ ltl ра, соответствующий функции Лагерра n+rn порядка; йщ — коэффициент разложения требуемой функции време- 15 ни (Ц по базису ортогональных функций Лагерра., ( — требуемая функция времени.

Преобразование Фурье от (О дает модуль мгновенного спектра 5(u) формируемого сигнала, разложенного по взвешенным полиномам Чебьппева Т »« первого рода..

Можно приближенно записать значение коэффициента разложения в виде ряда

Устройство для формирования случайных вибраций содержит генератор

1 "белого" шума, ортогональные фильтры 2, 2 „ Лагерра, вычитатели 3, к входам которых попарно подключены выходы фильтров 2. Фильтры 2,2 „ и вычитатели 3 образуют,п -канальный формирователь 4. Для отфильтровывания составляющих сигнала с частотами выше частот рабочего диапазона слуит

J фильтр 5 низких частот, включенный между генератором 1 и фильтром 2.

Для регулировки уровня частотных поддиапазонов служит и -канальный регулятор уровня, каждый канал которого включает регулируемый усилитель

6, сигнальный вход которого подключен к выходу вычитателя 3„ одноименного канала формирователя 4, а управляющий — к ) -му выходу матричного пересчетного блока 7, к входам которого подключены задатчики 81,„ . Устройство содержит также последовательно соединенные сумматор 9, к входам которого подключены выходы регулируемых усилителей 6, а выход связан с последовательно соединенными усилителем

10 мощности и возбудителем 11 колеба" ний, на подвижной части которого установлен вибродатчик 12, аппаратуру

13 измерения и анализа, подключенную к выходу вибродатчика 12.

Устройство работает следующим обра-зом.

Сигнал с выхода генератора 1 "белого"шума, представляющий собой реализацию случайного процесса с нормальным распределением и постоянной спектральной плотностью, поступает на вход фильтра 5 низких частот, частота среза которого равна наиболее высокой

1 частоте рабочего диапазона вибраций.

C выхода фильтра 5 сигнал поступает на вход ортогональных фильтров 2 Лагерра, импульсные отклики которых соответствуют определенным функциям

Лагерра. Назначение формирователя

4 — представить требуемую функцию спектральной плотности 5(vi) в виде

К где а „,— коэффициент, разложения S(u)j по базису (Ч (ы) jj ортогональных функций „

4 (о)- полином Чебьппева Т2„+1 порядка.

1111045

Составитель Ю. Алешин

Редактор М. Дыпын Техред М,Кузьма Корректор М. лароши

Заказ 6300/33 Тираж 822 Подписное

ВНИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

Сигналы, огибающая которых соответствует полиномам Чебышева, реализуются на выходе вычитателей 3. На чертеже показаны первый и и -каналы формирователя 4. К входам вычитателя 5

3 канала подключены выходы фильтра

2> и 2» к входам вычитателя первого канала - вьмоды фильтров 2 „,„ и 2, п1 1 и т.д. Как уже отмечалось, импульсный отклик каждого канала формирователя 4 соответствует разности функции Лагерра соответствующего порядка, преобразование же Фурье от разности функций Лагерра дает полином Чебышева. Вес калщого полинома

Чебышева устанавливается с помощью коэффициента передачи регулируемого усилителя 6, соответствующего канала регулятора уровня (на чертеже не показано). Таким образом, импульсный отклик канала формирователя связан с функцией Лагерра, аппроксимирующей требуемую функцию времени (реализацию случайного процесса), а передаточная функция канала формирователя

4 соответствует полиному Чебышева,, аппроксимирующему требуемую характеристику 5 <(1, Взвешенное суммирование сигналов, соответствующих полиномам Чебышева, дает требуемый спектр ЗО сигнала. Вес (коэффициент передачи регулируемого усилителя 6) устанавливается по сигналу, поступающему на управляющий вход усилителя 6 с матр чного пересчетного блока 7, с помощью которого осуществляется переход от спектра Чебышева к спектру

Фурье. На входы матричного блока

7 поступают отсчеты полиномов Чебыше. ва, взятые для значений частот .tv=ui„ 40 с выходов вычитателей 3 и отсчеты эталонного спектра, которые хранятся в задатчике 8. С выходов блока 7 сигналы, пропорциональные требуемым коэффициентам усиления усилителей 45

6, поступают на управляющие входы усилителей 6, с выхода которьм сигналы проходят на сумматор 9 и далее через усилитель 10 мощности на вход возбудителя 11 колебаний, возбуждая вибрации требуемого уровня. Сигнал с вибродатчика 12 поступает на вход аппаратуры 13 измерения и анализа.

Повышение точности воспроизводимых вибраций при использовании ортогональным фильтров обеспечивается тем, что сами фильтры, выполненные, например, на RC-элементах, в принципе могут не иметь аппаратурной погрешности. В этом их отличие от систем на основе гауссовских фильтров, не являющихся ортогональными.

Управление спектральными характеристиками сигнала возбуждения реализуется на основе перехода от спектра

Чебышева к спектру Фурье. При таком переходе результаты анализа более наглядны и легче сопрягаются с системами, в которых традиционно используется аппарат Фурье разложения.

Если система ортогональным функций полная .(как в данном случае), то среднеквадратичную ошибку можно сделать сколь угодно малой. Известные системы с гауссовскими фильтрами таким качеством не обладают.

Устройство, взятое в качестве базового (СУВУ-ШСВ), обеспечивает формирование спектральной плотности мощности с погрешностью 357. Эта максимальная погрешность имеет место в областях сопряжения фильтров и обусловлена завалом частотных характеристик фильтров. Предложенное устройство не имеет указанной погрешности, что и вызывает повышение точности формирования спектра по сравнению с базовым устройством на 2025Х. Оценка же других составляющих . погрешности, присущих как базовому, так и предложенному устройствам, позволяет заключить, что предложенное устройство позволяет обеспечить формирование спектральной плотности мощности с погрешностью 10Х.