Система формирования спектра широкополосных случайных вибраций

 

СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВИБРАЦИЙ, содержащая вибровозбудитель, параллельные каналы формирования, каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белого шума, двухвходовым сумматором , полосовым фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последовательно соединенные виброизмерительный преобразователь и регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к второму входу двухвходового сумматора, блок сравнения, один из входов которого подключен к задатчику программы, а выход - к управляющим входам регулируемых усилителя и аттенюатора, и измеритель дисперсии, вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, а также общий для всех каналов сумматор , с выходом которого соединен вибровозбудитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и надежности,,в каждый канал формирования введены последовательно соединенные второй измеритель дисперсии, подключенный к выходу генератора белого шума, умножитель, управляемый умножитель, первое вычитающее устройство и последовательно соединенные первый делитель,, второй делитель , второе вычитающее устройство , второй блок сравнения и управ ляемый ключ, а также источник опор (Л ного сигнала, выход умножителя соединен с первым входом первого делителя , второй вход которого соединен с выходом первого измерителя дисперсии, соединенным также с вторым входом .первого вычитающего устройства,; выход которого соединен с вторым входом первого блока сравнения, регулируемый усилитель имеет дополнительСП ный выход, соединенный с управляющим ел входом управляемого умножителя и вторым входом второго делителя,второй вход второго вычитающего устройства сое - динен с первым выходом источника опорного сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй вход управляемого ключа соединен с выходом ре гулируемого усилителя, а выход управляемого ключа - с входом общего сумматора .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3683476/18-28 (22) 30.12.83 (46) 23.05.85. Бюл. Р 19 (72) З.А.Баширов, Я.С.Урецкий, P,Â.Ìíåêèí, А.Г.Баширова и Л.П.Гринберг (711 Казанский ордена Трудового

Красного Знамени и ордена Дружбы народов авиационный институт им.А.Н.Туполева (53) 620.178.53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 410328, кл. G 01 М 7/00, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 578639, кл. G Ol М 7/00, 1974 (прототип). (54)(57) СИСТЕИА ФОРИИРОВАНИЯ СПЕКТРА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВИБРАЦИЙ, содержащая вибровозбудитель, параллельные каналы формирования, каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белогошума, двухвходовым сумматором, полосовым фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последовательно соединенные виброизмерительный преобразователь и регулируемый аттенюатор, выход которого подключен к второму входу двухвходового сумматора, блок сравнения, один из входов .которого подключен к задатчику программы, а выход — к управляющим входам регулируемых усилителя и аттенюатора, и измеритель дисперсии, вход которого подключен к

„„з0„„11575 7 А

41 G 05 9 19/02// G 01 М 7/00 выходу регулируемого усилителя, а также общий для всех каналов сумматор, с вьмодом которого соединен вибровозбудитель, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью повышения точности и надежности,,в каждый канал формирования введены последовательно соединенные второй измеритель дисперсии, подключенный к выходу генератора белого шума, умножитель, управляемый умножитель, первое вычитающее устройство и последовательно соединенные первый делитель, второй . делитель, второе вычитающее устройство, второй блок сравнения и управ" ляемый ключ, а также источник опорного сигнала, выход умножителя соеди- ур нен с первым входом первого делителя, второй вход которого соединен с С выходом первого измерителя дисперсии, соединенным также с вторым входом первого вычитающего устройства,выход которого соединен с вторым вхо- р дом первого блока сравнения, регулируемый усилитель имеет дополнитель- р ный выход, соединенный с управляющим входом управляемого умножителя ивторым входом второго делителя,второйвход второго вычитающего устройства соединен с первым выходом источника опорного сигнала, второй выход кото.рого соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй вход управляемого ключа соединен с выходом регулируемого усилителя, а выход управ" ляемого ключа - с входом общего сумматора.

1157527

Изобретение относится к управлению вибрациями, а именно к системам формирования спектра широкополосных случайных вибраций, и может быть использовано при проведении вибраци- 5 онных испытаний изделий.

Известна система формирования спектра широкополосных случайных вибраций,р содержащая генератор шума, соединенный с сумматором, и вибровозбудитель с виброизмерительным преобразователем, соединенным с набором полосовых фильтров. Выходы полосовых фильтров через измерители дисперсии связаны с блоками сравнения, р.р сигналы с блоком сравнения управляют коэффициентами передачи аттенюаторов, на выходы которых поступают сигналы с полосовых фильтров. Выходы аттенюаторов соединены с общим сумматором, 20 что обеспечивает регулировку величиHbl Обратной OBBsH 1 1 ).

Недостатком этой системы является то, что значительная глубина обратной связи, необходимая для обес- 25 печения динамического диапазона, порождает жесткие требования к стабильности элементов цепи положительной обратной связи для исключения воэможности самовоэбуждения, 30

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является система формирования спектра случайных вибраций, содержащая вибровозбудитель, параллельные каналы формирования, каждый из которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белого шума, ДВУХВХОДОВЫМ C fMGTOPOMр ПОЛОСОВЫМ фильтром и регулируемым усилителем, 411 и цепь положительной обратной связи, включающую последовательно coeциненные виброиэмерительный преобразователь и регулируемый аттенюатор, выход которого. подключен к второму вхо-4g ду двухвходового сумматора, блок

СРаВНЕНИЯр ОДИН HS ВХОДОВ КОТОРОГО подключен к задатчику программы, а выход - .к управляющим входам регулируемых усилителя и аттепюатора, и измеритель дисперсии, вход которого подключен к Выходу регулируемого усилителя, а также общий для всех каналов сумматорр с выходом которого соединенвыбровозбудитель $2).у

Недостаток этой системы связан с тем, что В каждом канале формиро.вания на выходе регулируемого усилиг теля.осуществляется измерение дисперсии сигнала, состоящего из двух компонент: сигнала обратной связи с выхода j-го регулируемого аттенюатора в 1-й полосе частот и сигнала генератора шума в этой же полосе частот, 1

При этом полезным сигналом, несущим информацию об уровне вибраций в контролируемой точке изделия в -й полосе частот, является сигнал обратной связи с выхода -го регулируемого аттенюатора, по результату измерения дисперсии которого необходимо осуществлять регулировку коэффициента усиления -го регулируемого усилителя. Управление же коэффициентом усиления i-го регулируемого усилителя в известном устройстве по результату измерения суммарной дисперсии двух сигналов существенно снижает точность формирования, Кроме того, при необходимости формирования большого динамического диапазона уровня вибрации и при изменении динамической характеристики тракта "вибровозбудитель— изделие" в процессе испытания возможно самовоэбуждение отдельных каналов формирования, за счет приближения к единице значения коэффициента положительной обратной связи, что снижает надежность системы.

Целью изобртетения является повышение точности формирования заданного спектра вибрации и надежности системыа

Эта цель достигается тем, что в системе формирования спектра широкополосных случайных вибраций, содержащей внбровоэбудитель, параллельные каналы формирования, каждый иэ которых включает прямую цепь с последовательно соединенными генератором белого Бума р ДВухвхоДовым сумматором полосовым фильтром и регулируемым усилителем, и цепь положительной обратной связи, включающую последова— тельно соединенные виброизмерительный преобразователь и регулируемый аттенюаторр выход которого подключен к второму входу двухвходового сумматора,ч блок сравнения, один из выходов которого подключен к эадатчику программыр а выход — .к управляющим входам регулируемых усилителя и аттенюатора, и измеритель дисперсии, Вход которого подключен к выходу регулируемого усилителя, а также общий

1157527 4 для всех каналов сумматор, с выходом которого соединен виброноэбудитель, в каждый иэ каналов формирования введены последовательно соединенные второй измеритель дисперсии, подключенный к выходу генератора белого шума, умножитель, управляемый умножитель, первое вычитающее устройство и последовательно соединенные перный делитель, второй делитель,вто- 10 .рое вычитающее устройство, второй> блок сравнения и управляемый ключ, а также источник опорного сигнала, выход умножителя соединен с первым входом первого делителя, второй вход 15 которого соединен с выходом первого измерителя дисперсии, соединенным также с вторым входом первого вычитающего устройства,>.. выход которого соединен с вторым входом перво- 20 го блока сравнения, регулируемый усилитель имеет дополнительный выход, соединенный с управляющим входом управляемого умножителя и BTGDbIM входом второго делителя втооой вход 25 второго вычитающего устройства, соединен с пеевым выходом источника опорного сигналя, BToDQA выход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения, второй вход 30 управляЕмого ключа соединен с выходом регулируемого усилителя, а вьгход управляемого ключа — с входом общего сумматора.

Введение упомянутых элементов ,5 позволяет учесть при измерении спектра неуправляемую составляющую, вносимую генератором белого шума, и исключить самовозбуждение системы за счет контроля коэффициента поло- 0 жительной обратной связи в каждом канале формирования и отключения канала при превышении коэффициентом допустимого значения.

На фиг.1 изображена блок-схема 45 предлагаемой системы; на фиг.2— спектрограммы, поясняющие работу системы, где С вЂ” спектр сигнала на выходе генератора белого шума, амплитудно-частотная характеристи- 50 ка (АЧХ } i-ro полосового фильтра;

Gq — спектр сигнала на входе регулируемого аттенюатора; G — спектр сигнала на выходе -го двухвходового сумматора, G«. спектр сигнала 55 ь

1 на выходе i-ro полосового фильтра;

G — спектр сигнала иа выходе -ro

Ру( регулируемого усилителя.

В каждом канале формированиягенератор 1 белого шума, служащий источником широкополосных сигналон, соединен через двухвходовый сумматор 2 с полосовым фильтром 3, выход которого связан с соответствующим

Регулируемым усилителем 4. Общий сумматор 5 служит для суммирования сигналов регулируемых усилителей 4, а выход e=o связан с входом вибровозбудителя 6. Виброиэмерительный преобразователь 7, установленный на столе вибровозбудителя 6, через регулируемый аттенюатор 8 соединен с, вторым входом двухвходового сумматора 2 каждого канала. Выход регулируемого усилителя 4 соединен с первым измерителем 9 дисперсии, а управляющие входы регулируемых усилителя 4 и аттенюатора 8 соединены с выходом первого блока 10 сравнения, один иэ входов которого подключен к задатчику программы (на блок схеме .обозна чен стрелкой с индексом Б„ ). К генератору 1 белого шума подключена цепь из последовательно соединенных второго измерителя 11 дисперсии, умножителя 12, управляющего умножителя

13 и первого вычмтывающего устройства

14, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя 9 дисперсии, а выход — с вторым входом первого блока 10 сравнения. К выходу умно— жителя подключена цепь из последонательно соединенных первого делителя

15, второй вход которого соедцнен с выходом первого измерителя 9 дисперсии, второго делителя 16, второй вход которого соединен с дополнительным выходом регулируемого усилителя

4, соединенного также с управляющим входом управляемого умножителя 13, второго вычитающего устройства 17, второго элемента 18 сравнения и управляемого ключа 19, второй вход которого соединен с выходом регулируемого усилителя 4, а выход — с соответствующим входом общего сумматора 5.

Вторые входы второго вычитающего устройства 17 и второго блока 18 сравнения соединены, соответственно с первым и вторым входами источника 20 опорного сигнала.

Система работает следующим образом.

Сигналы с. выходон генераторов 1 белого шума через двухвходовые сумматоры 2 и полосовые фильтры Э по1157527 ступает на выход регулируемых усилителей 4, где масштабируются и через управляемые ключи 19 суммируются на общем сумматоре 5. Сигналы с выхода этого сумматора поступают на 5 вход вибровозбудителя 6, механические колебания которого преобразуюся виброизмерительным преобразователем 7 в электрические сигналы, которые поступают через регулируемые аттенюаторы 8 на входы двухвходовшх сумматоров 2,. тем самым замыкая цепь положительной обратной связи. Таким образом„ в прямую цепь замкнутой канальной системы входят генератор белого шума, двухвходовый сумматор 2, полосовый фильтр 3 и регулируемый, усилитель 4, Все остальные элементы образуют цепь обратной связи. Для обеспечения необходимого запаса устойчивости замкнутой системы коэффициент передачи цепи обратной связи выбирается намного меньше единицы, Для этого коэффициент передачи Кп регулируемого аттенюатора 8 должен быть равен

К = — —-8 СК где К -коэффициент передачи регулируемого усилителя 4; 30

С - коэффициент неравномерности спектра формируемого сигнала, причем С ) l

При этом коэффициент передачи каждого полосового фильтра 3 с замкнутой35 обратной связью при коэффициенте передачи полосового Фильтра 3, равном единице, определяется коэффициентом передачи К . За счет этого первые измерители 9 дисперсии измеряют величи- ц! ну мощности сигнала в полосе пропускания Фильтров 3. Далее этот сигнал поступает на первое вычитающее устройство 14. Измеренная измерителями 9

-дисперсии мощность включает в себя и мощность сигнала генератора 1 белого шума в полосе фильтров 3. Вторые измерители 11 дисперсии измеряют мощность сигнала генераторов 1 белого шума во всем их частотном диапазоне. Сигнал с выхода вторых измерителей

ll дисперсии поступает через умножители 12 на вход управляемых умножителей 13. Чтобы мощность сигнала на выходе управляемых умножителей 13 55 была равна мощности сигнала, который проходит в калдый канал формирования от генераторов 1 белого шума, коэффициент умножения К„ умножителей 12 .г должен быть равен К = — — где г

f - "полоса пропускания Фильтров 3:

F — - частотный диапазон генераторов, .

1 белого шума, а коэффициент умножения К., управляемых умножителей 13

t) должен быть равен К „ = К где К вЂ” коэффициент передачи регу Ф лируемых усилителей 4, Сигнал с выхода управляемых умножителей !3 поступает на вход первых вычитающих устройств 14, где, он вычитается иэ сигнала с измерителей 9 дисперсии. Далее сигналы с выхода первых вычитающих устройств

14 сравниваются с напряжениями программы в первых блоках 10 сравнения.

Сигналами, напряжения которых пропорциональны величине рассогласования между измеренным и заданным сигналами, осуществляется необходимое управление коэффициентами передачи регулируемьм усилителей 4 и регулируемых аттенюаторов 8.

Более полное представление о работе устройства можно получить пользуясь спектрограммами, приведенными на фиг.2. На выходе i-го измерителя

9 дисперсии получается сигнал в виде постоянного напряжения U „., величина которого пропорциональна дисперсии П,„ сигнала на выходе i-го регулируемого усилителя 4 и равна г

"й= и,.=Кру, 6, (ц1 =к

Ы пф; пф.

"1

*I в(I „с Iц)d< где К вЂ” коэффициент усиления i-ra

Р регулируемого усилителя", К вЂ” коэффициент усиления i-го

РА; регулируемого аттенюатора 8;

Ь1„ - полоса частот пропускания -го полосового фильтра.

На выходе <-го второго измерителя

jl дисперсии также будет сигнал в аиде постоянного напряжения U«, вели-. чина которого пропорциональна . диспер. сии D „ сигнала на выходе -ro генера. тора 1 белого шума

0„. =2„. = а (f)di. (2) учитывая,что i"й умножитель 12 имеет коэффициент усиления К 1г

1157527

= d! ff) . kF,на выходе -го умножить ля 12 имеем

))„=(df„+ df} (G,(fldf (К) Коэффициент усиления l -го управляемого умножителя 13 равен коэффициенту усиления -го регулируемого усилителя 4, поэтому на выходе i-го управляемого умножителя 13 имеем

))„=о„, к,„= к,„(кс„ }к с} f с,(с) С, U =}U U }=)K „ f c,,(с)к „*с (f)df-к „(дс„ /йс} L,(f)df }к к к (с)де о

)!)= к Q,,(f)df-к, (df, J F} c, (fldf =

35 ) пФ;

С,(Юdt и оф

40 так как Kpg. Kpae.

Откуда видно, что сигнал на выходе вычитающего устройства 14 пропорционален только спектру G (f) сигнала обратной связи на выходе вибродатчика 7, (с целью получения более простых выражений принята прямоугольная АЧХ полосового фильтра ).

Рассмотрим отдельно работу схемы, исключающей самовозбуждение канала формирования в виду ее относительной автономности, В процессе проведения виброиспы- 55 тания динамические характеристики испытуемого изделия (.амплитудночастотные и фазо-частотные могут где К, —. коэффициент усиления -ro р м) регулируемого умножителя. Сигнал U,. является входным для 1-го вычитающе20 го устройства 14, на другой вход которого подается сигнал U ., На выходе вычитающего устройства 14 имеем сигнал в виде претерпевать значительные изменения, например, из-за механических изменений конструкции отдельных. узлов изделия, их жесткости, ослабления крепления и т.д. Вследствие этого, иэза сильного обратного влияния испытуемого изделия на вибровозбудитель, происходят значительные изменения динамических характеристик последнего.

При этом значительное возрастание сигнала положительной обратной связи в одном или нескольких каналах формирования может привести к самовозбуждению. В связи с этим необходимо осуществлять контроль за величиной коэффициента положительной обратной связи в каждом канале формирования.

Как известно, величина положительной обратной связи определяется значением рК, где p — коэффициент усиления цепи обратной связи; К -., коэффициент усиления прямой цепи. Величина К определяется. коэффициентом усиления регулируемых усилителей 4, а величина р определяется модулями коэффициентов передачи элементов обратной связи, куда входят: вибровозбудитель 6, виброизмерительный преобразователь 7, регулируемый аттенюатор 8. Коэффициент К усиления одного формирующего канала при положительной обратной связи оп!5еделяется выражением

К„= К/(1- р К).

Преобразуем это выражение следующим образом

I К/К„= рк (6)

Для устойчивой работы канала формирования при положительной обратной связи, как известно, требуется, чтобы значение рК <1. Величина /з при проведении виброиспытаний неизвестна и трудно определима экспериментально, Поэтому, следуя выражению (6 ) можно осуществлять контроль за величиной 1 — К/К и по ее близости к единице оценивать вероятность возникновения самовозбуждения.

Оценка величины 1 — К/К в каждом канале формирования осуществляется следующим образом.

Сигнал с выходом уиножителя 12, равный величине дисперсии i-ro фор; мируемого узкополосного сигнала нак входе прямой цепи, который определяется уровнем сигнала с генератора 1 шума, поступает на первый вход первого делителя !5, на второй вход которо1157527

9 го поступает сигнал с выхода измерителя 9 дисперсии, дисперсия которого соответствует -му формируемому узкополосному сигналу на выходе прямой цепи при положительной обрат- 5 ной связи. В первом делителе 15 осуществляется операция деления сигнала, поступающего на второй вход, на сигнал, поступающий на первый вход, в результате чего получается значение Кос- коэффициента усиления канала формирования при положи тельной обратной связи, С выхода первого делителя 15 сигнал, соответствующий значению К в данный момент времени, поступает на первый вход второго делителя 16, на второй вход которого поступает сигнал с дополнительного выхода регулируемого усилителя 4, соответствующий коэффициенту усиления К прямой цепи канала формирования. В результате операции деления на выходе второго делителя 16 имеем сигнал, соответствующий отношению К/К, который поступает на первый вход второго вычитающего устройства 17, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода источника 20 опорного сигнала, соответствующий условной единице в приня-Bq том масштабе единиц

На выходе второго вычитающего устройства 17 получается сигнал, соответствующий значению 1 — K/K, который поступает на первый вдох блока 18 сравнения, на второй вход которого поступает сигнал с второго выхода источника 20 опорного сигнала, соответствующий значению 0,9-0,99.

Конкретная величина сигнала выби- о рается в зависимости от типа испытуемого иэделия и номера канала формирования (зависит от инерционностей цепей измерения дисперсии узкополосных сигналов). В случае превышения сигнала на первом входе второго блока 18 сравнения соответствующего значению 1 — К/К, над сигналом на втором входе, на выходе появляется сигнал рассогласования, который указывает на возможность самовозбуждения данного .канала формирования (т,е. запас по устойчивости крайне мал, он определяется разностью между единицей и значением сигнала на втором входе блока 18 сравнения, например

0,05 р. С выхода блока 18 сравнения сигнал рассогласования поступает на управляющий вход управляемого ключа 19. При этом происходит отключение выхода регулируемого усилителя 4 от соответствующего входа общего сумматора 5 и тем самым исключается самовозбужденне данного канала.

Практическая реализация изобретения не вызывает принципиальных труДкостей. Генераторы шума, полосовые фильтры, регулируемые усилители, аттенюаторы, сумматоры, вычитающие устройства, измерители дйсперсии, ум ножители могут быть выполнены на базе операционных усилителей серии

К 140.,В качества блока сравнения может быть использована микросхема ти-па 523СА1. Управляемый умножитель может быть выполнен на базе микросхемы

525ПС, а управляемый ключ — на базе микросхемы 143КТ1.

Использование изобретения позволяет с высокой точностью формировать спектры широкополосных случайных вибраций» что способствует получению достоверных результатов испытания.

)157527

Фиг.1

ВНИИПИ Закан 3371 47

Тирам 863 Подиисное

Филиал ППП "Патент", r.Умгород, ул.Проектная, 4