Устройство для успокоения колебаний упругого элемента переменной жесткости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСПОКОЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ, т содержащее последовательно соединенные исполнительный орган, объект управления и датчик отклонения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, оно содержит элемент И, первый делитель напряжения , первый релейный элемент и последовательно соединенные дифференцирующий блок, инвертор, второй делитель напряжения, сумматор, второй релейный элемент, элемент ИЛИ-НЕ и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом исполнительного органа, выход датчика отклонения через первый -делитель напряжения соединен с вторым входом сумматора, а через последовательно соединенные первый релейный элемент и элемент И соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с входом дифференцирующего блока непосредственн ,о, первый вход элемента ШШ-НЕ подключен к второму входу « k элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ.

СОЮЗ СОВЕТСНИ)(СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) З(51) G 05 В ll 01 »

j я,»/ г,1

»

»»

"«:%

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3547290/24-24 (22) 21.01 ° 83 (46) 15.12.84.Бюл.М 46 (72) Ю.С.Мануйлов и Г.П.Аншаков (53) 62-50 (088.8) (56) 1. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М., "Наука", 1971, с.32 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСПОКОЕНИЯ

КОЛЕБАНИЙ УПРУГОГО 3JIEMEHTA ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ, содержащее последовательно соединенные исполнительный орган, объект управления и датчик отклонения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, оно содержит элемент И, первый делитель напряжения, первый релейный элемент и после—

I. довательно соединенные дифференцирующий блок, инвертор, второй делитель напряжения, сумматор, второй релейный элемент, элемент ИЛИ-НЕ и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом исполнительного органа, выход датчика отклонения через первый -делитель напряжения соединен с вторым входом сумматора, а через последовательно соединенные первый ре- лейный элемент и элемент И соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с входом дифференцирующего блока непосредственно, первый вход элемента

ИЛИ-НЕ подключен к второму входу элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ.

1129585

Изобретение относится к демпфированию колебаний упругих элементов конструкции объектов и может быть преимущественно использовано при проектировании и создании 5 перспективных систем управления объектами нежесткой конструк цнии

Известно устройство демпфирования для успокоения колебательного движения гибких элементов конструк- !0 ции объекта, основанное на использовании демпферов, которые с одной стороны крепятся к относительно неподвижным частям конструкции, а с другой — к подвижным, и предназна- !5 чено для преобразования кинетической энергии подвижных элементов в какой-либо иной вид энергии D3 »

Использование демпфирующих свойств трения в шарнирных соединениях так- 20 же можно отнести к одному из путей реализации такого устройства.

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие в тех случаях, когда специально ис- 25 пользуемые демпферы или /и/ естественное демпфирование, обеспечиваемое конструктивными особенностями объекта, не в состоянии обеспечить требуемых временных характеристик переход- З0 ного процесса успокоения колебательного движения гибких элементов конструкции, а использование более мощных демпферов либо нежелательно, либо вообще невозможно.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для успокоения коле- . баний упругого элемента переменной 40 жесткости, содержащее последовательно соединенные исполнительный орган, объект управления и датчик отклонения, дополните»льно содержит элемент И, делитель Ha!!psmeHHs первый 45 релейный элемент и последовательно соединенные дифференцирующий блок, инвертор, второй делитель напряжения, сумматор, второй релейный элемент, элемент ИЛИ-HE и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом ис. полнительного органа, выход датчика отклонения через первый делитель напряжения соединен с вторым входом сумматора, через. последовательно 55 соединенные первый релейный элемент и элемент И соединен с вторым входо!. элемента ИЛИ и с входом дифференци1 рующего блока непосредственно, первый вход элемента ИЛИ-НЕ подключен к второму входу элемента И, первый вход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ.

На фиг. 1 представлена функциональная .схема устройства; на фиг.2астрелочный прибор; на фиг. 2 о — исполЙйтельны»й "орган; на фиг. 3 и 4 — фазовый портрет.

Устройство содержит объект управления 1 (упругий элемент), датчик отклонения 2, дифференцирующий блок 3, инвертор 4, первый и второй делители напряжения 5 и 6, сумматор 7, пер- вый и второй релейные элементы 8 и 9, элемент И 10, элемент ИЛИ-НЕ 11, элемент ИЛИ 12, исполнительный орган 13.

Физическая сущность работы пред-. лагаемого устройства заключается в следующем. Динамика;. движения упругого элемента без демпфирования описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка г

1,=1" 1,=-Я ъ, И где q — обобщенная координата откло-! нения элемента от положения равновесия;

Я вЂ” собственная частота колебаний, которая связана с коэффициентом жесткости С следующим соотношением:

У = с/п где ш — массовая характеристика упру. гого элемента.

Пусть коэффициент жесткости может изменяться в некоторых пределах .

СЕ(С„„„, С,„д ) или, что то же, час. тота колебаний изменяется в пределах 4) 8 (у„,;„,ц д„), В спокойном сос тоянии, естественно, жесткость элемента должна быть максимальной, поскольку это позволяет уменьшить амплитуду колеэаний, возникающих в результате влияния какого-либо внешнего воздействия. Пусть в результате внешнего воздействия в момент to объект 1 йаходится в ненулевом состоянии (ко- леблется) q! (t) q! q2 (tg q2î

Требуется найти такое управление

0 (t) (M (t)j 2, которое минимизировало с бы функционал j) )7, (, г=0 т

to успокаивало бы объект за минимально короткое время. Данная постановка является постановкой классической задачи оптимального управления, кото» рая может быть решена с использовани3 1129585 4

Л.С.Понтряги- могут отличаться только радиусом ем принципа максимума . . онтряг— и фазой, а поскольку в законе управна. о со- ления (3) используются лишь знаки

Введем в рассмотрение вектор со- ления () то на репряженных переменных (у,,(|!г б сказываться пишем Гамильтониан || = 4 (p! q -|||г | | р 5 ан =-1 - 0, шение задачи будет - сказы ф сопряженной только начальная фаза сопряже из которого нетрудно получить сопря-! женную систему системы („=асс ((ц(g Ящ(Я) !

ЭЦ (2) Следовательно коор,ината 1| может, |1| = "|||грч!г с,, 10 быть представлена в виде

Как известно, оптимальное управ- " ) М ). соз, 1+ зб | (+i 1|0 1. Эксперименление 0, минимизирующее заданный функционал качества, ищется из усло. вия ! й*(|„q,ä,ä„Î )=max Н|с|„<|,ы,,ц,,U).

От управляющего параметра зависит только часть гальмильтониана, котовид рая может быть записана в виде Й = — Ц(||г с|,, откуда нетрудно полу- 1 а 0 Ма -(О 9((И аак1 Q (5) чить структуру оптимального управления тальные исследования, проведенные на ЭВМ типа ЕС=1033 путем моделирова-f ния управляемого движения объекта 1 показали, что наискорейшее успокоение упругого элемента осуществляется в том случае, если кривая 1| имеет

Предлагаемое устройство работаеФ следующим образом.

25 (+ max ° гЧ,р

u,v

Мг .0 (3) () После воздействия внешнего возмущающего момента упругий элемент начинает колебаться с частотои .а л (d

mam p поскольку в состоянии покоя жесткость упругого элемента максиДля решения задачи в форме синтеза мальна (из условия снижения амплиУпРавлениЯ (в фоРме обРатнои свЯ- туды колеб ий, воэника их от дейстзи) необходимо определить Ч г как вия внешнего возм щего и уль< г . са). Датчик 2 отклонений начинает шем уравнения дв ения упруг г " 35 выдавать текущее значение ве,ч„„ы мента и сопРЯженнчй системы с вмест- обобщенной коордийаты отклонения но

pyroro элемента q, которое поступа"=-U ет на входы дифференцирующего блока 3 и первого делителя напряжения 5, =-uì, 40 с коэффициентом передачи 0,41. Текугре q q =Чг. щее значение скорости обобщенной

Как в"д" обе системы описывают координаты от„ онения упругого эле! 2 ся идентичными уравнениями. Решейие мента .ц выдается с в ода фференУРавнениЯ такого типа имеет в"д . ц рующего блока 3. инвертируется с ц -45 использов ием инвертора 4 и ту- . ц- -1 u<)q®в- 4 (q -.М(4) где. R = q + q/0- амплитуда ко„ г+ жения 6 с коэффициентом переда,911,„В ны 0 41 ичи 0,91!И „,<,х . Величины лебаний1 (О, 91 /6J mox) q поступают на входы начальная фаза 50 сумматора 7, а значение знака полуКривая (4) на фазовой плоскости ченной величины формируется с исполь(|1|| представляет собой окруж- зованием релейного Зареме т

|лемента 9. Текч= ность радиуса R . Изменение харак- щий знак величины q фор ру

Ир ЧЮ фо ми ется с

0 тера фазовой траектории при измене-. помощью релейного. элемента . р

8. С авнии жесткости конструкции наглядно И кение знаков, формируемых на выхопредставлено на фиг. 3 и 4. Из (4) дах релейного элемента 8 и релейноследует что решения уравнений дви- го элемента 9, ущ ос ествляется с по1 жения прямой и сопряженной систеМ мощью элементов ЮН4, ЮН4 ИЛИ-НЕ

1129585

17 и Й (10-12). При этом на выходе схемы имеем логическую единицу, если

>if ng = si(n t, где y = 0,4lq

-gl,9 l /v z„) q и логический ноль в противном случае. 5

Если на вход исполнительного органа 13 поступает логическая единица, то жесткость упругого элемента уменьшается до минимально возможной величины, а упругий элемент начинает колебаться с частотой 4) д„ „ л

При исчезновении сигнала 1огичес41 кая единица с выхода элемента ИЛИ 12 жесткость упругого элемента восстанавливается до максимально возможной.

Следует отметить, что датчик 2 отклонения упругого элемента может быть выполнен, например, в виде стре— лочного прибора, как изображено на 20 фиг. 2а, и содержит блок 14, растяжки 15, демпферы 16, блок 17, стрелочный датчик отметки 18 и шток 19.

Блок управления жесткостью может быть выполнен, например, в виде выдвигаемого штока, который изменяет силу натяжения вантовой конструкции. (стяжек). При этом жесткость конструкции увеличивается при выдвинутом штоке и уменьшается — при утоплвн- зп ном (см.фиг.2a)i На фиг.2б представлен вариант реализации исполнительного органа для полой упругой конструкции (типа Останкинской телевизионной башни): и содержит полую уп-. ругую конструкцию 20 и трос 21. Управление жесткостью осуществляется путем натяжения и ослабления троса.

Использование предлагаемого изобретения наиболее эффективно для успокоения колебаний слабо демпфированных упругих конструкций. Уравнение движения упругого элемента с дсмпфированием имеет вид

g=-ag — у q (Ь) где а — коэффициент демпфирования.

Максимальная амплитуда колебаний упругого элемента, описываемого уравнением (6), изменяется во времени

-0,5 с 1 по закону А = R e

z. ,i где R = q + q /ó „— начальная амплитуда колебаний.

Отсюда время, за которое затухнут колебания за счет собственного демпфирования, может быть оценено по формуле t = 21п R/с1.

Экспериментальные исследования проводились для R - =2 ° 10 и а=0,1.

-3

При этом за счет собственного демпфирования колебания упругого элемента затухают через 125 с. Использование же предлагаемого способа позволяет успокоить колебания через 10 с при уч6те, что собственная частота колебаний (a следовательно и жесткость упругого элемента) изменялась от 4 1п„ = 2 (1/с) ро ы,„„„ = 1 (1/c).

1129585!

129585

Составитель А.Лещев

Техред С.Легеза

Редактор M. Бандура

Корректор А. Зимокосов

Филиал IIIK "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 9451/37 Тираж 841 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий

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