Способ воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к испытательной технике. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости. Это достигается путем устранения модуляции сигнала по суммарной мощности и ограничения амплитудных выбросов. Аналоговый сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемый на вибровозбудитель 3, формируется как сумма трех компонентов, каждая из которых получается умножением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности мощности на один и тот же периодический модулирующий сигнал, но сдвинутый на одну треть своего периода. ЭВМ 1 при помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает его в блок 2 генерации сигнала, который преобразует его в случайный сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемой на вход вибровозбудителя 3. Получаемый на выходе виброобразователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифровой преобразователь 5 подается в ЭВМ 1, где при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ. С помощью алгоритма управления спектральные характеристики выборки процесса, выдаваемой в блок генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность сигнала с выхода вибропреобразователя 4 была близка к заданной. Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности работает под управлением ЭВМ 1. Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного периода модулирующих сигналов, которая не меняется в течение всего времени испытаний. Перед началом испытаний в блок 20 памяти через блок 6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок генерации сигнала начинает непрерывно генерировать случайный сигнал, спектр плотности мощности которого будет изменяться только в моменты перезагрузки в блок 20 памяти новой базовой выборки. 2 с.п. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU„„151 S691 (51)4 G 01 М 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ч)-t) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А BTOPCHOMY СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4399547/25-28 ! (22) 29. 03. 88 (46) 30„10.89. Бюл, М 40 (77) В.Б.Дрыжак, Н.В.Матюха, В.Н.Сергеевич, С.В.йнпунов и И.П.Наливаева (53) 620.178 53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 838488, кл. G 01 М 7/00, 1979, Авторское свидетельство СССР

М 842443, кл, G 01 М 7/00, 1979 (прототип).

2 (54) СПОСОБ ВОСПРОПЗВЕДЕ11ИЯ СЛУЧАИНОИ ВИБРАЦИИ С ЗАДАННЫМ СПЕКТРОМ

ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к испытательной технике, Цель изобретения повышение помехоустойчивости. Это достигается путем устранения модуляции сигнала по суммарной мощности и ограничения амплитудных выбросов. Аналоговый сигнал с заданным непрерыв1518691

55 ным спектром плотности мощности, подаваемый на вибровозбудитель 3, формируется как сумма трех компонентов, каждая иэ которых получается умно5 жением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности мощности на один и тот *e периодический модулирующий сигнал, но сдвинутый на одну треть своего периода. ЭВМ 1 при lð помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает его в блок 2 генерации сигнала, который преобразует его в случайный сигнал с заданным непрерывным спек. тром плотности мощности, подаваемой на вход вибровоэбудителя 3. Получаемый на выходе виброобразователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифровой преобразователь 5 подается в ЭВМ

1, где при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ, С помощью алгоритма упИзобретение относится к испытаЪ тельной технике, а именно к способам и устройствам воспроизведения спектра случайных вибраций, и может быть использовано в автоматизированных системах управления виброиспытаниями.

Цель изобретения — повышение поме35 хоустойчивости путем устранения моду- .». лированности сигнала нагружения и ограничения амплитудных выбросов.

На фиг.l представлена блок-схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ; на фиг.2 — методик формирования сигнала нагружения; на фиг.3 — теоретические исследования спектральных характеристик сигналов, 45 полученных предлагаемым способом; на фиг.4 - результаты моделирования.

Способ осуществляют следующим образом.

Аналоговый сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемый на вибровозбудитель, формируется как сумма трех компонент, показанных на фиг.2.

Y(t) Y,(t)+Y (t)+Y3(t) где Y (t) — случайный сигнал с заданным спектром плотносТИ МОЩНО С ТИ; равления спектральные xàðëêòåðèñòèêè выборки процесса, выдаваемой в блок

2 генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность сигнала с выхода вибропреобра" зователя 4 была близка к заданной.

Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности работает под управлением ЭВМ 1. Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного периода модулирующих сигналов, которая не меняется в течение всего времени испытаний. Перед началом испытаний в блок 20 памяти через блок 6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок генерации сигнала начинает непрерывно генерировать случайный сигнал, спектр плотности мощности которого будет изменяться только в моменты перезагрузки в блок 20 памяти новой базовой выборки. 2 с.п. и 5 э.п. ф-лы, 4 ил.

У,.(t) — модулированные компоненты суммы.

Каждая иэ модулированных компонент получается умножением периодического базового сигнала с заданным спектром плотности мощности, один период которого показан на верхней диаграмме фиг.2, на один и тот же периодический модулирующий сигнал, период которого показан на второй сверху диаграмме фиг.2, но сдвинутый на одну треть своего периода

Y.(t)H(t+T ;) M(t+T„(i-1)/3);

i 1, 2, 3, где  — базовый полигармонический сигнал;

М вЂ” модулирующий периодический сигнал, T> — период В

Т„ - период М; случайная величина, равномерно распределенная на интервале (О, 17.

В моменты времени, когда соответствующая модулирующая выборка проходит через ноль, что соответствует моментам времени t,, t z и один раз за период величина . принимает новое случайное значение из интервала (О, 1 f.

5 1518691

В качестве модулируюшего используется периодический сигнал нида Г ульсов подключен к тактовому входу блока 6 управления. Выход генератора

8 случайных чисел подключен к входам устанонки первого 12, второго 13 и третьего 14 счетчиков адреса. Выходы перного 9, второго 10 и третьего !I регистров подключены соответственно к входам установки четвертого 15 пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса. Выходы переполнения которых подключены к нходам стробов установки первого 12, второго 13 и третьего 14 счетчиков адреса соответственно. Их счетные выходы подключены к первому, второму и третьему входам первого коммутатора 18 соответственно, а счетные выходы четвертого 15, пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса подключены к первому, второму и третьему входам второго коммутатора 19 соответственно.

Выход перного коммутатора 18 подключен к адресному входу блока 20 памяти, выход которого подключен к перному входу цифрового умножителя 22.

Выход второго коммутатора 19 подключен к адресному входу блока 2! постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя 22. Вход последнего подключен к первому входу сумматора 23, выход которого подключен к информационному входу четвертого регистра 24. Выход последнего подключен к второму входу сумматора 23 и информационному входу цифроаналогового преобразонателя 25. ч = Arccos (-а/b), Выходы с первого по пятый блока

6 управления подключены соответственно к управляющим нходам первого

18 и второго 19 коммутаторов, адресно-информационному входу записи блока 20 памяти, входу строба записи четвертого регистра 24, установочному входу четвертого регистра 24 и управляющему входу цифроаналогового преобразователя 25, выход которого является выходом блока 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности, Шестой выход блока

6 управления подключен к счетным входам первого 12, второго 13, третьего 14, четвертого 15, пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса, а его седьмой выход подключен к входам строба чтения блока 20 памяти и бло45

l(t) =a+bC (2 iit/T „+ ц ), где М вЂ” временной сигнал; а, Ь вЂ” константы;

Т„ — период модулирующегi> сигнала, время;

Ч вЂ” начальная фаза.

Причем начальная фаза и выбирается с таким расчетом, чтобы

М(0) = М(т„) - О, т.е.

1О

Отношение а/Ъ выбираются произвольно, с тем лишь условием, что а/b < 1,. Это отношение, а также отношение T /Т определяет ширину и форму кривои размазывания" каждой спектральной компоненты базового полигармонического сигнала, С точки зрения оптимального приближения формы этой кривой к идеальной прямоугольной предлагается выбрать а/Ъ = 0,6, Тм/T в = 2 307

Устройство, осуществляющее способ, содержит ЭВМ 1, выход которой подключен к входу блока 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощнос-.и. Выход последнего подключен к возбудителю 3 колебаний. Сигнал обратной связи снимается с объекта испытаний (не показан) вибропреобраэователем 4, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю

5. С выхода последнего дискретные выборки подаются в ЭВМ

Блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности является составным и содержит блок 6 управления, генератор 7 тактовых импульсов, генератор 8 случайных чисел, первый 9, второй 10 и третий 11 регистры, первый 12, второй 13, третий

I4, четвертый 15, пятый 16 и шестой

l7 счетчики адреса, первый 18 и второй 19 коммутаторы, блок 20 памяти, блок 21 постоянного запоминающего устройства, цифровой умножитель 22, сумматор 23, четвертый регистр 24 и цифроаналогоный преобразователь 25. Причем перный вход блока 6 управления является входом блока 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности.

Выход генератора 7 тактовых им1518691 ка 21 постоянного запоминающего уст— ройства.

Устройство работает следующим образом.

ЭВМ 1 при помощи алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье генерирует выборки процесса с дискретным спектром и выдает в блок 2 генерации сигнала, ко торый преобразует его в случайный сигнал с заданным непрерывным спектром плотности мощности, подаваемый на вход вибровозбудителя 3.

Получаемый на выходе вибр преобразователя 4 сигнал обратной связи через аналого-цифровой преобразователь 5 подается в 3ВМ 1, гд» при по— мощи алгоритма быстрого преобразования Фурье производится его анализ.

С помощью алгоритма управления спектральные характеристики выборки процесса, выдаваемой в блок 2 генерации сигнала, изменяются таким образом, чтобы спектральная плотность 25 сигнала с выхода вибропреобразователя 4 была близка к заданной ° Составной блок 2 генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности работает под управлением ЭВМ 1. 30

Блок 21 постоянного запоминающего устройства содержит выборку одного и ериода моду пирующих сигналов, Э та выборка не меняется в течение всего времени испытаний ° Перед началом испытаний в блок 20 памяти через блок

6 управления загружается базовая выборка нулевой итерации, после чего блок 2 генерации сигнала начинает непрерывно генерировать случайный сиг- 40 нал, спектр плотности мощности которого будет изменяться только в моменты перезагруэки в блок 20 памяти новой базовой выборки.

Генерация происходит следующим образом.

Для генерации очередного цифрового кода, преобразуемого цифроаналоговым преобразователем 25 в уровень напряжения, производится последовательное считывание трех кодов из блока 20 памяти. Перед считыванием первого кода четвертый регистр 24 обнуляется. По сигналу с второго выхода блока 6 управления первый код, адрес которого

55 с выхода первого счетчика 12 адреса через первый коммутатор 18 поступает в блок 20 памяти, выдается на блок

22 умножения, который умножает его на код, поступающий из блока 21 памяти. Адрес этого кода поступает на вход блока 2! постоянного запоминающего устройства через второй коммутатор 1 9 с выхода четвертого счетчика

l5 адреса. Произведение с выхода умножителя 22 поступает на первый вход сумматора 23, на второй вход которого подается нулевой код с выхода четвертого регистра 24. Таким образом, с выхода сумматора 23 произведение записывается в четвертый регистр 24.

Далее по такому же принципу вычисляется произведение вторых кодов иэ блока 20 памяти и блока 21 постоянного запоминающего устройства. Причем адреса их поступают из второго 13 и пятого 16 счетчиков адреса соответственно. Однако на втором входе сумматора 23 теперь присутствует первое произведение, и в четвертый регистр 24 записывается сумма двух произведений. Аналогично вычисляется третье произведение, с той лишь разницей, что адреса для блоков 20 и 21 памяти принимаются из третьего 14 и шестого 17 счетчиков адреса соответственно °

Сумма трех произведений э аписы-вается в четвертый регистр 24 и по сигналу с пятого выхода блока 6 управления переписывается во входной регистр цифроаналогового преобразователя 25. Одновременно с этим по сигналу с шестого выхода блока 6 управления адреса в первом 12, втором

13, третьем 14, четвертом 15, пятом

16, шестом 17 счетчиках адреса синхронно наращиваются на 1. Четвертый

15, пятый 16 и шестой 17 счетчики адреса циклические. При запуске блока

2 генерации сигнала в них с выходов первого 9, второго 10 и третьего 11 регистров соответственно заносятся коды 0,1/ÇL, 2/ÇL, где L — длительность цикла каждого счетчика, равного периоду модулирующей выборки. Таким образом, содержимое этих счетчиков, т.е. адреса для блока 21 памяти, соответствующие кодам для первого, второго и третьего произведений, всегда отличаются по модулю на одну и ту же величину — L/3.

Сигналы переполнения четвертого

15, пятого 16 и шестого 17 счетчиков адреса, отвечающие моментам времени, когда их содержимое равно О, (что соответствует моментам t„, t,, t на

691

9 15) 8 фиг. 2), управляют занесением в первый 12, второй 13 и третий 14 счетчики адреса кодов случайных адресов с выхода генератора 8 случайных чи— сел,. В ответствие сигналов перепол5 нения эти счетчики наращиваются синхронно и циклически одновременно с четвертым 15, пятым 16 и шестым 7 счетчиками адреса. Длительность циклов первого 12, второго 13 и третьего счетчиков адреса одинакова. Отношение длительностей циклов этой группы счетчиков адреса к длительности циклов предыдущей группы счетчиков 15 адреса равно отношению периодов базовой и модулирующей выборок.

Таким образом, результирующий сигнал, выдаваемый на вибровозбудитель

3 блока 2 генерации сигнала, являет- 20 ся суммой трех независимых случайных сигналов, модулированных по амплитуде. Независимость этих сигналов обеспечивается периодическими скачкообразными изменениями фазы порождающеГо 25 базового сигнала.

Спектр плотности мощности каждой компоненты суммы, а следовательно, силы линейности преобразования Фурье и спектр плотности мощности реэульти- Зп рующего сигнала определяются спектральными характеристиками конечной выборки полигармонического базового сигнала. Перезагрузка этой выборки может производится беэ остановки процесса генерации, что обеспечивает

35 непрерывность процесса нагружения.

На фиг.3 изображена кривая, полученная аналитически и характеризующая спектр плотности мощности сигна- 40 ла, сгенерированного предлагаемым способом. Порождающая базовая выборка взята в виде полигармонического сигнала, содержащего четыре компоненты на частоте 4, 6, 7 и 8 Гц. На

45 фиг.4 представлен результат натурного моделирования по предлагаемому способу. График получен при усреднении 1000 периодограмм модельного сигнала. Разрешение при анализе — 1/50 Гц,50

Результирующий сигнал, полученный указанным способом, имеет незначительную естественную модуляцик1 полной мощности на периодах, сравнимых с периодом порождающего базового сиг55 нала, несмотря на то, что каждая иэ компонент суммы сильно модулирована по амплитуде и ее мощность на тех же периодах имеет большую дисперсию. Результа ты моделирования покаэывают, что при количестве гармоник в спектре порождающе го сигнала, превьппающим 8-10, рез ультирующий сигнал имеет почти Гауссовское распределение.

Формула изобретения

1. Способ воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности, заключающийся в том

Ф что модулируют базовый полигармонический сигнал, определяющий спектральные характеристики случайной вибрации

t из ко то ро го получают сигнал нагружения, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости путем устранения модулированности сигнала нагружения и ограничения амплитудных выбросов, модуляционный принцип рассредоточения мощности спектральных компонент базового полигармонического сигнала с дискретным спектром применяют к нескольким сигналам, порожденным этим базовым сигналом, сигнал нагружения образуют их суммированием.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что каждую из компонент суммы, образующей сигнал нагружения, продуцируют с помощью умножения соответствующих модулируемых сигналов на модулирующие низкочастотные сигналы, которые получают из единого низкочастотного периодического сигнала сдвигом по времени, причем параметры модулирующих сигналов фиксируют на все время испытаний.

3. Способ по п.2, о т л и ч аю шийся тем, что все модулируемые сигналы получают из базового полигармоничегкого сигнала путем скачкообразного изменения его фазы а э именно: периодически один раз за период соответствующего низкочастотного модулирующего сигнала при прохождении его через ноль, фазу базового полигармонического сигнала скачком меняют на равномерно распределенную случайную величину, соответствующую случайному сдвигу базового сигнала во времени в пределах одного его периода.

4, Способ по п.3, о т л и ч а юшийся тем, что соответствующие модулирующие сигналы сдвигают относительно порождающего их сигнала на ноль, одну треть и две трети его пеI1 151 риода соответственно для первой,второй и третьей комлоненты суммы, которую образуют только из трех компонент.

5. Способ по и 4, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве низкочастотного сигнала, необходимого для получения модулирующих сигналов, используют периодический сигнал, содержащий две частотные компоненты: постоянную составляющую и синусоидальную гармонику, причем его период выбирают большим либо равным периоду базового полигармонического процесса.

6. Способ по п.5, о т л ч а ю— шийся тем, что в каче тве низкочастотного сигнала используют сигнал с отношением амплитуд постоянной составляющей к амплитуде синусоидальной гармоники, равным 0,6 и с отношением его периода к периоду оазового сигнала, равным 2,307.

7. Устройство для воспроизведения случайной вибрации с заданным спектром плотности мощности, содер*,ëùåå возбудитель колебаний, последовательно соединенные вибропреобразо, атель, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены составной блок генерации сигнала с заданным спектром плотности мощности, состоящий иэ блока управления, генератора тактовых импульсов, генератора случайных чисел, ;;ервого, второго и третьего регистров, первого, второго и третьего счетчиков адреса,чет-. вертого, пятого и шестого счетчиков адреса, первого и второго коммутаторов, блока памяти, блока постоянного запоминающего устройства, цифрового умножителя, циф;.сv.ого сумматора,четвертого регистра и цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к входу нибропреобразователя и является выходом составного блока генерации сигнала, причем первый вход блока управления подключен к выходу

ЭВМ и является вход .м составного б-,. . вЂ”â€” ка генерации сигнала, выход генератора тактовых импульсов подключен к второму входу блока управления, выход

869! 12

1О

50 гене ратора случайных чисел подключен к установочным входам первого, второго и третьего счетчиков, выходы первого, второго и третьего регистров подключены соответственно к установочным входам четвертого, пятого и шестого счетчиков, выходы переполнения которых подключены к входам стробов установки соответственно первого, второго и третьего счетчиков, счетные выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого коммутатора, а счетные выходы четвертого, пятого и шестого счетчиков подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго коммутатора, выход первого коммутатора подключен к первому входу цифрового умножителя, выход второго коммутатора подключен к адресному входу блока постоянного запоминающего устройства, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя, выход которого подключен к второму входу цифрового умножителя, выход которого подключен к первому входу цифрового сумматора выход которого подключен к информационному входу четвертого регистра, выход которого подключен к второму входу цифрового сумматора и информационному входу цифроаналогового преобразователя, первый выход блока управления подключен к управляющим входам первого и второго коммутаторов, второй выход блока управления подключен к адресно-информационному входу блока памяти, третий выход блока управления подключен к входу строба записи четвертого регистра, четвертый выход блока управления подключен к установочному входу четвертого регистра, пятый выход блока управления подключен к управляющему входу цифроаналогового преобразователя, шестой выход блока управления подключен к счетным входам первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого счетчиков, седьмой выход блока управления подключен к входам строба чтения блока памяти и блока постоянного запоминающего устройства.

1518691

1.2

1.d

d.S

О.б

/Ч

Ч

494. Х

0.8

В.Ч

6.2

Составитель К, Т". íëèttî â

Техред П.Олийнык Корректор В.Гирняк

Редактор И.Касарда

Пр))изв гдственн) -«яд«тел) ск««л, 1()1,н;)т,:) г< нт, t.,Угг )р<),t, уii. ;tã;tZ»t>t;t, 1П .

Заказ 6599/47 Тираж 789 Подписное

ВНИ!ГПИ Государствс нногi) комит .та но «) барс ) ениям «oòêðt,tòèÿì при ГКНТ ГССР

11303э, Иосква, iK — 1), ауыслпя нао., д. 4/ )