Устройство управления случайными вибрациями

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию и управлению, в частности к системам управления экспериментальными установками, предназначено для испытаний различных конструкций, приборов и машин на электродинамическом вибрационном стенде полигармонической и случайной вибрацией. С целью повьппения точности испытаний за счет устранения амплитудной модуляции формируемого вибросигнала в систему управления случайными вибрациями, содержащую вибрационную аппаратуру 1 с закрепленным на ней изделием, аналого-цифровой преобразователь 4, процессор 5 и компаратор 6 спектральной плотности мощности , блок 12 хранения эталонных значений спектральной плотности мощности , генератор 13 случайного сигнала , умножитель 7, преобразователь 8 из частотной области во временную, формирователь 9 crfyчaйнoй функции, формирователь 11 временньЬс интервалов , цифроаналоговый преобразователь 14, дополнительно введены управляемый аттенюатор 14 и генератор 15 демодулирующих функций, а в формирователь 11 введен компаратор, анализирующий на равенство нулю. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. а $ (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

<дц 4 С 01 М 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

f10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4276339/24-24 (22) 06. 07, 87 (46) 28, 02. 89. Бюл, У 8 (71) Минский радиотехнический институт (72) А,Н.Морозевич, А,И,Шемаров и В.АаФедосенко (53) 681.325 (088,8) (56) Кори Г,;и Кори Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. M. Наука, 1978, Изд.

4- е, с, 606, Патент США Ф 3848115, кл. G 01 N29/00,,1974. (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫМИ

ВИБРАЦИЯМИ о (57) Изобретение относится к автоматическому регулированию и управлению, в частности к системам управления экспериментальными установками, предназначено для испытаний различных конструкций, приборов и машин на электродинамическом вибрационном

„„SU„„4 2137 A i стенде полигармонической и случайной вибрацией, С целью повышения точности испытаний за счет устранения амп ; литудной модуляции формируемого вибросигнала в систему управления случайными вибрациями, содержащую вибрационную аппаратуру 1 с закрепленным на ней изделием, аналого-цифровой преобразователь 4, процессор 5 и компаратор 6 спектральной плотности мощности, блок 12 хранения эталонных значений спектральной плотности мощности, генератор 13 случайного сигнала, умножитель 7, преобразователь 8 из частотной области во временную, формирователь 9 случайной функции, а

® формирователь 11 временных интервалов, Лифроаналоговый преобразователь (/)

14, дополнительно введены управляемый аттенюатор 14 и генератор 15 демоду» ( лирующих функций, а в формирователь

11 введен компаратор, анализирующий 2 на равенство нулю. 1 з.п. ф-лы, 5 ип.

1462137

Изобретение относится к автомати:ческому регулированию и управлению, в частности к системам управления экспериментальными установками, пред- назначено для испытаний различных конструкций, приборов и машин на электродинамическом вибрационном стенде полигармонической и случайной вибрацией. 10

Цель изобретения — повышение точ,:ности испытаний за счет устранения

: амплитудной модуляции формируемого

: вибросигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема системы управления случайными вибрациями; на фиг.2 " пример реали зации блока наложения окон; на фиг,З пример реализации генератора демодулирующих Функций, HB фиг,4 - пример 20 реализации цифрового аттенюатора; на фиг.5 — графическая диаграмма формирования выходного сигнала из коротких периодических реализаций, Система управления случайными виб- 25 рациями (фиг,1) содержит последовательно соединенные вибрационную аппаратуру 1 с закрепленным на ней изделием 2, вибродатчик 3, аналого-цифровой преобразователь 4, процессор 5 спектральной плотности мощности„ компаратор 6 спектральной плотности мощности, умножитель 7, преобразователь 8 сигнала из частотной области во временную, формирователь 9 случайнай функции,, цифроаналоговый преоб35 разователь 10 с коммутатором, формирователь 11 временных интервалов„ блок 12 хранения эталонных значений спектральной платности мощности ге 40 нератор 13 случайного сигнала, управляемый аттенюатор 14 и генератор 15 демодулирующих функций.

Формирователь 11 (фиг,2) содержит коммутатор 16, первый 17 и второй 18

45 блоки памяти, первый 19 и второй 20 блоки формирования амплитуды, сумматор 21, генератор 22 функций и ком-, паратор 23.

Генератор 15 демодулирующих Функций (фиг,З) содержит счетчик 24 и блок 25 памяти, Недостатком известного устройства является амплитудная модуляция генерируемого случайного сигнала. Временная реализация формируется в формирователе 11 из коротких реализаций, причем в качестве короткой реализации могут быть использованы как единст,> а. sin(- — — +pa,), где п=О,N-1 с Wi. n

1=0

О, где n=N,2N-1

А = и

˄— 2, где n=N/2, М 2+0

О, где n=O,N,2N-1 -+N,2N-1 ,N

A N, где n=N,2N-1

0; где n=O,N-1 где i - номер гармоники.; п - номер отсчета временной реализации;

М - число гармоник.

На каждую из функций накладываем окно (например окно Хэннинга первого порядка) . Получаем функции А „(Фиг. 5а), В„(фиг.5б), С„(фиг.5в) l венная выборка, поступающая с выхода преобразования 8 из частотной области во временную, так и реализации, получаемые иэ одной выборки преобразования 8 из частотной области во временную путем придания ей случайной фазы в формирователе 9. Непосредственная стыковка коротких реализаций с вероятностью, стремящейся к единице, приводит к разрывам первого рода генерируемой фуйкции и всех ее производных.

Для устранения этого недостатка применяют операцию наложения окон. Данная операция (это функция формирователя 11) заключается в том, что две короткие реализации умножают на окно (например; на функцию синуса), сдвигают их друг относительно друга.на половину отсчетов и суммируют (фиг,5) ° Однако, в этом случае происходят искажения из-за возникновения амплитудной модуляции.

Пример. Рассмотрим первый случай, когда на вход формирователя

11 поступает выборка из преобразователя 8 из частотной области во временную.г В этом случае происходит сопряжение отдельных реализаций, представляющих собой периодический сигнал. Допустим, что перибд N, такого сигнала в кратное число раз меньше периода N выборки, т.е. N => k. К где k - целое число. Для упрощения доказательства примем N"2N .

Пусть даны три одинаковых коротких реализации А„,В„, С„, „причем В„. сдвинута относительно А„ на половину отсчетов, а С„ - на целый период:

1462137 (1) 11

А„= A„s in Nn с=о

II

В„ = В„ sin -n (2) О, где n=N,2N-1 (3)

Сигнал D„генерируемый на выходе устройства 11 наложения окон, может быть представлен отрезком реализации с N N

+ N-1

2 2

I I

А„+В„, где n= N2 М-1

B +Ñ„ ., где n=NtN+N 2-1 .

После подстановки получим:

Г /

A„sinNn+A Ä sin(«Nn-«2), ãäå n=N/2,N-1

11 г

II II И 20

А u sin(-n-")+А sin(-n-д)

N 2 б-м N в

И N где n - N+- — 1

2 2

В о

+ NI 2N-1 где n=N,2N-1 где и О, N1

"+2 н

В2

=Кф

1 К-1

А2 К- 1

N—

11=К

25 Рд Ро=Ро

После наложения окна получаем модулированные функции:

N, -гд п=И,И+2I

ПРедположим, что период функций равен

N/2, т,е. А„=А к . Тогда д-

И

2А sin(-n — -)cos- где n=- N-1

N 4 4 21

3 .11., N 30 2А sin(-n — — )cos- где n=N N+ — 1

II

11 N 4 4 . 2

7 «Г2

Учитывая что cos- = — получим

4 2

I ° 11

А = А sin — п и и

D =

Г

B„= B„sin — n, о

I1

С= С sin — n.

О II

35 Тогда их активные мощности станут .равными:

1к1 . о

А з1п,ЙК п, n=O

lI+IIlz-l

1-. о

+ B„sin - и

n= III

ЯН-!

С2 Sin2 — n.

P

1 р

При достаточно большом И активная мощность за период приблизительно равна удвоенной активной мощности за полпериода:

50 2 К И-1

Р=-, » Х =- Х

".-о " Nnо с—

2 Ю-1

P = - X2 sinII< - > Х2 виИЫ

Ик и о N — п °

11 =O 1IO

55 .

r процесс 0„на отрезке 2; И+2.- 1 равен: с.

tI о.

2А sin(-и — -) где n=N/2 N-1

N 4

ЗГ

2 А sin(-и — — ) где n=N N+N/2-1 и И 4 ю т,е. получаем выходной процесс, мо дулируемый функцией синуса (фиг,5г, линия 1).

Полная мощность такого сигнала равна

К-К!М М-IIh-

P A2 +- 1 i А s in — n

- N Å

И п МЫ =на

Таким образом, получаем постоян. ную составляющую мощности и составляющую, модулированную синусом удвоенной частоты.

Рассмотрим теперь второй случай, когда на .вход формирователя 11 подаютСя с выхода формирователя 9 случайные реализации Ап> В„, С„, распределенные по нормальному закону:

Е

Min а sin(— — -+pa ) где n O N-1

t В

Е

М- . И.1. „

Ь sin(— — -+ I„> )

1-О

N М

О где п=Π— — 1

° 2 2

Чвп

> с sin(- — --+(f )

c N

=о

Предположим, что их полные активные мощности равны:

Тогда результирующий случайный

1462137

/ Р и Ц /

A s1ир+В sin(-и — )

N где и=2

Н

Il

II н (и 2)+C„sin(и -и ) rpe n=N . N+N

15

55. Полная активная мощность равна."

12 H .7 .! 2N — N " N 2

;р» = -(- 0 (А sin-и+В sin(-и --)) + н

Я --1 л /

II п + - 7 (В sin(-n - -)+С sin(-n "s) ) ) и =я н.—

М

H+--1 и

1 1 1 . 2

Г В +- А В sin — n с Я ип °

n » в=в н

Т, Такйм образом, получаем постоян: ную составляющую мощности и ее слу чайную составляющую, модулированную, ;как и для периодического сигнала си: нусом удвоенной частоты.

Следовательно, для устранения модуляции .генерируемого случайного или полигармонического сигнала, сформированный из коротких реалиэацйй с помощью наложения окон сигнал необходимо умножать на демодулирующую Функ"

-цию, вид которой однозначно определя.ется Функцией окна, Так, для приве денного выше частного случая с окном

Хэннинга первого порядка каждые—

2 отсчетов выходного сигнала необходимо перемножать с функцией вида 1/(Г2/

/sin(-n+-) ), n=0, N/2-1(фиг.5, линия 2), Система работает следующим обра,зом.

Сигнал, генерируемый вибрационной аппаратурой 1, возбуждает в закрепленном на ней изделии 2 виброколебания, преобразуемые вибродатчиком 3 в электрический сигнал, поступающий на вход аналого-цифрового греобраэователя 4, Преобразованный с помощью преобразователя 4 в цифровую Форму сигнал поступает в процессор 5 спектральной плотности мощности, где происходит преобразование сигнала из временной области представления в частотную с помощью; например, алгоритма быстрого преобразования Фурье; вычисляется спектральная плотность мощности сигнала, снимаемого с иэделия, Вычисленная спектральная плотность мощности сравнивается в компа25

40 раторе 6 с эталонным значением, посттупающим из блока 12 хранения эталонных значений спектральной плотности мощности. Результат сравнения перемножается в умножителе 7 со случайным сигналом, генерируемым генератором

13 случайного сигнала. Результат умножения преобразуется во временную область представления в преобразователе 8 из частотной области во временную, с помощью, например, алгоритма обратного быстрого преобразования

Фурье.

При проведении испытаний на полигармоническую вибрацию короткая реализация, получаемая на выходе преобразователя 8, паступает в формирователь, где из этой короткой реализации формируется посредством наложения окон непрерывный сигнал.

В случае проведения испытаний на случайную вибрацию короткая реализация с выхода преобразователя 8 поступает в формирователь 9, где иэ одной короткой реализации формируется множество реализаций путем придания исходной реализации случайной фазы.

Сформированные реализации поступают в формирователь 11, где с помощью окон происходит сопряжение этих коротких реализаций в непрерывный случайный сигнал, В этом случае выход формирователя 9 рандомизации отклю-. чается от цифроаналогового преобразователя 10.

Сформированный в формирователе 11 полигармонический или случайный сигнал преобразуется с помощью цифроаналогового преобразователя 10 в аналоговую форму и .поступает на информационный вход управляемого аттенюатора 14, на управляющий вход которого поступает из генератора 15 демодулирующих функций функция, изменяющая коэффициент передачи аттенюатора 14 таким образом, чтобы устранить амплитудную модуляцию сформированного сигнала, Сигнал с выхода аттенюатора

15 управляет вибрационной аппаратурой 1; Периодически преобразователь

8 подает скорректированную выборку

1462137 информации, которая заменяет ранее хранившуюся в формирователе реализацию, и позволяет генерировать скорректированные серии управляющих Bbf

5 борок формирователя 9 в сл чае испытаний на случайную вибрацию или же формировать полигармонический сигнал из новой единственной короткой реализации в случае испытаний на полигармоническую вибрацию.

В случае реализации формирователя 11, как показано на фиг,2, выборка либо с выхода преобразователя 8, либо с выхЬда формирователя 9 (фиг.1) 15 через коммутатор 16 записывается в первый 17 и второй 18 блоки памяти, Информация с выхода блока 17 памяти поступает в блок 19 формирования амплитуды, а с выхода блока 18 памяти— в блок 20 формирования амплитуды.

Амплитудой сигналов, поступивших в блоки 19 и 20, управляет генератор

23 функций, генерирующий функцию, определяемую видом накладываемого 25 окна. Для рассмотренного выше примера с окном Хэннинга первого порядка модулирующая функция будет иметь ! !!

BHp, sin Ип n=0 N-1 Причем в блоки 30

19 и 20 формирования амплитуды модулирующие функции с первого и второго выходов генератора 23 функций поступают с разными фазами (в рассматри ваемом примере на второй вход блока

20 поступает функция, сдвинутая по о фазе на 90 относительно функции, поступающей на второй вход блока 19) .

Блоки 19 и 20 могут быть умножителями, которые перемножают сигнал из 40 блоков 17 и 18 памяти на сигнал из генератора 23 функций.

Функции, полученные в результате умножения в блоках 19 и 20, определяются соответственно выражением (1) 45 и (2) для начального момента времени и поступают соответственно на первый „ и второй входы сумматора 22, где,они суммируются, образуя непрерывный сигнал, как показано на фиг.5.

Синхронизация работы формирователя 11 осуществляется тактовыми сигналами, поступающими на его.синхровход

11. На выходе .компаратора 24 появляется сигнал в случае пеРехода модули- 55 рующей функции через ноль на первом выходе генератора 23 функции, Этим сигналом, поступающим на второй выход формирователя 11, происходит пер,— воначальная установка генератора 15 демодулирующих функпий (фиг,1) для синхронизации его работы с работой формирователя 11, Работа формирователя 11 (фиг.2) поясняется графической диаграммой, приведенной на фиг.5. Сигналы, показанные на фиг 5, представлены в аналоговой форме, в то время как формирователь 11 оперирует с цифровой информацией, Управляющий сигнал, генерируемый формирователем 11, формируется иэ одной выборки, поступающей из преобразователя 8 (фиг.1) или из серии выборок, полученных из формирователя 9. На фиг ° 5 показан первый случай когда управляющий сигнал формируется из серии выборок, полученных путем многократного повторения единственной выборки с периодом N, причем каждая последующая выборка сдвинута на полпериода относительно предыдущей, Для сглаживания стыков между выборками каждую выборку перемножают с функцией (например, функция синуса), поступающей из генератора

23 функций (фиг.2), получая огибающую (линия 3), показанную на фиг.5.

Затем серия выборок складывается по описанному правилу, образуя выходной,сигнал (фиг,5, линия 1).

При использовайии окна Хэннинга первого порядка модулирующая выходной ! Г1 сигнал функция на отрезке 1- N+- - 1 (2 2 будет иметь вид, показанный на фиг.5 (линия 2), Аналогично формируется управляющий сигнал — в случае поступления серии выборок иэ формирователя 9 (фиг.1).

Амплитуда модулированного выходного сигнала, поступающего в аттенюатор 14 с выхода цифроаналогового преобразователя 10 (фиг.1), изменяется под управлением генератора 15 демодулирующих функций таким образом, чтобы устранить амплитудную модуляцию. Тем самым повышается точность формирования вибросигнала, а,следовательно, и точность испытаний.

Формула изобретения

1. Устройство управления случайными вибрациями, содержащее аналогово-цифровой преобразователь, процесI

1462137

10 сфр спектральной плотности мощности, к мпаратор спектральной плотности мощности, умножитель, преобразователь снгнала из частотной области во вре5 мФнную, формирователь случайной ф нкции, цифроаналоговый преобразователь, формирователь временных интерв1алов, блок хранения эталонных значен спектральной плотности мощности, г нератор случайного сигнала, информ ционный вход аналого-цифрового пре, разователя соединен с измерительным в одом устройства, выход аналогов(ифрового преобразователя соединен

Ф информационным входом процессора спектральной плотности мощности, вы од которого соединен с первым входом омпаратора спектральной плотности

Мощности, второй вход которого соеди- о нен с выходом блока хранения эталон1

ых значений спектральной плотности иощности, а выход соединен с первым ходом умножителя, второй вход кото ого соединен с выходом генератора 25 случайного сигнала, выход умножителя соединен с входом преобразователя сигнала иэ частотной области во временную, выход которого, соединен с первыми входами формирователя случайной функции и формирователя временных интервалов, второй вход кото-. рого соединен с выходом формирователя случайной функции и информационным входам цифроаналогового преобразователя, тактирующий вход которого сое- - 5 динен с первым выходом формирователя временных интервалов, о т л и ч а ю— щ е 6 с я тем, что, с целью повышения точности испытаний за счет устранения амплитудной модуляции формируе- 4О мого вибросигнала, в устройство введены управляемый аттенюатор и гене., ратор демодулирующих функций, первый и второй входы которого соединены с вторым и третьим выходами формирователя временных интервалов, выход генератора демодулирующих функций соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, информационный вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход цифрового аттенюатора соединен с выходом управляющего воздействия устройства. 2. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что формирователь временных интервалов содержит первый и -второй блоки памяти, первый и второй блоки формирования амплитудь:., сумматор, генератор функций, коммутатор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами формирователя, а выход соединен с информационными входами первого и второго блоков памяти, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков формирования амплитуды, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым выходом формирователя, синхровход которого соединен с третьим выходом формирователя и с тактовыми выходами первого и второго блоков памяти и генератора функций, первый выход которого соединен с вторым выходом первого блока формирования амплитуды, а второй выход — с вторым входом второго блока формирования амплитуды, компаратор, вход которого. соединен с первым выходом генератора функций, а выход соединен с вторым выходом формирователя.

1462137

От (Фиг. 5

Составитель В.Куленкамл

; Редактор И.Сегляник Техред M.Õoäàíè÷ Корректор Л,Патай

Заказ 663/38 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственно котета по изобретем и откр„иям при ГКНТ СССР

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

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