Итерационный способ управления испытаниями изделий на ударное воздействие

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s 6 01 Н 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"71392

1 (21) 4782777/28 (22) 15.01.90 (46) 15.07.92. Бюл. М 26 (71) Научно-производственное объединение прикладной механики (72) M.М. Горемыкин, B.Á. Дрыжак, H.В. Ма тюха, В,Н. Сергеевич и Н.А. Тестоедов (53) 620.178 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1275395, кл. G 05 О 19/02, 1985;

Авторское свидетельство СССР

М 1133490, кл. G 01 М 7/00, 1982.

Вибрации в технике: Справочник /Под ред. M.Ä. Генкина. М,: Машиностроение, 1981, т. 5, с. 105. (54)ИТЕРАЦИОННЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЯМИ ИЗДЕЛИЙ НАУДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.Иэобретене относится к испытательной технике и предназначено для использования в машиностроении при разработке систем управления испытаниями изделий на воздействие ударных нагрузок.

Известен способ воспроизведения ударных нагрузок, заключающийся в том, что сигнал нагружения формируется путем . умножения случайнго сигнала с заданными спектральными характеристиками на некоторый кратковременный модулирующий сигнал заданной формы, Однако данный способ не позволяет воспроизвести заданную временную зави симость вибропараметра в заданной точке конструкции.

Известен также способ воспроизведения виброударного воздействия, по которо2 (57) Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является увеличение точности воспроизведения формы ударного импульса виброускорения в заданной точке испытываемого изделия или испытательной оснастки. Способ позволяет достичь указанной цели путем получения на этапе идентификации статистически корректной оценки частотной передаточной функции тракта нагружения с помощью итерационной процедуры экспоненциального сглаживания. Способ позволяет обеспечить защиту объекта от превышения заданного уровня перегрузки на всех этапах управления. Способ может быть рекомендован к использованию при проектирова-. З нии автоматизированных цйфровых систем управления ударными испытаниями. 2 з,п. ф-лы, 1 ил. му предварительно с помощью гармонического сигнала, развертываемого по частоте, определяется передаточная функция тракта нагружения, пересчитывается с помощью преобразования Фурье в импульсную переходную функцию, которая используется для формирования временной зависимости ударного импульса сигнала нагружения, Указанный способ сложен в реализации и не может обеспечить высокую точность воспроизведения ударного процесса вследствие ограниченной точности определения импульсной переходной функции.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ воспроизведения заданной временной зависимости виброускорения при испытаниях на ударное воздействие, по которому управле1747941 ние совершается в два этапа. На первом этапе целевой сигнал виброускорения (эталон), пересчитанкый двойным интегрированием в перемещение, подается при пониженном уровне усиления на вход вибровозбудителя. С выхода датчика виброускорения принимается сигнал обратной связи, после чего определяется комплексный спектр этого сигнала и эталона. Отношение квадрата комплексного спектра эталона к комплексному спектру сигнала обратной связи дает комплексный спектр сигнала нагружения по ускорению для второго этапа, На втором этапе полученный сигнал с помощью обратного преобразования Фурье пересчитывается во временную зависимость сигнала нагружения по ускорению, которая пересчитывается двойным интегрированием в сигнал по перемещению и при номинальном уровне усиления выдается на вибровозбудитель.

Недостатком известного способа является. невозможность с его помощью обеспечить высокую точность воспроизведения ударного импульса в реальных условиях, т.е. при значительном уровне случайных помех и нелинейных искажений в трактах нагружения и обратной связи, наличии шумов npu60pos è погрешностей измерений.

Кроме того, на первом этапе способ . предполагает выдачу. в тракт нагружения эталонного сигнала, что даже при пониженном уровне усиления не гарантирует защиту испытываемого обьекта от превышения допустимого уровня по виброускорению, Для пересчета сигнала по ускорению в сигнал по перемещению способ использует двоййое интегрирование, что приводит к большим вычислительным затратам.

Цель изобретения - увеличение точности воспроизведения формы ударного импульса виброускорения. в заданной точке

" испйтуемого изделия или оснастки.:

Указанная цель достигается тем, что согласно способу управления испытаниями на воздействие ударных нагрузок, исйользующему спектральное представление сигналов нагружения и обратной связи, управление разбивают на два этапа, причем на первом этапе для определеня характеристик обьекта используют тестирующие сигналы при пониженном уровне усиления, вычисляют с их помощьЮ уточненный сигнал нагружения, на втором этапе полученный сигнал выдают в тракт нагружения при номинальйом усилении, На первом этапе производят итерационную оценку частотной передаточной функции тракта натружения, для чего используют процедуру экспоненциального

I сглаживания с переменным коэффициентом усреднения, а именно вычисляют взвешенную нормированную сумму оценки передаточной функции по предыдущим итерациям и отношения комплексного спектра сигнала обратной связи для данной итерации к комплексному спектру сигнала нагружения для данной итерации, причем, комплексный спектр сигнала нагружения для следующей итерации вычисляют как отношение комп10 лексного спектра эталонного сигнала к оценке передаточной функции, полученной для scex итераций с текущей включительно, после чего по ней с помощью обратного

15 пр :образования Фурье вычисляют временную функцию, которую выдают в тракт. нагружения, причем процедуру вычисления спектральной плотности сигнала нагружения осуществляют для каждой спектральной компоненты независимо, а

20 коэффициент усреднения оценки передаточкой функции берут одинаковым для всех частотных полос разрешения

Для получения равномерной точности

26 оценки передаточной функции во всем частотном диапазоне в качестве временной функции сигнала нагружения для итерации выбирают функцию, имеющую равномерный спектр, например одиночный короткий импульс малой амплитуди.

Могут быть использованы различные зависимости коэффициента усреднения от номера итерации, В простейшем случае коэффициент усреднения выбирают постоянным из диапазона 0...1 и не зависящим от номера итерации, а число итераций определяют как произведение величины, обратной коэффициенту усреднения, и некоторой величины, лежащей в диапазоне 1„,10 и выбираемой в

Ф

40 зависимости от уровня помех.

При наличии ограничений на точность воспроизведения заданной формы временной зависимости виброускорения ко45 эффициент усреднения для первой итерации берут равным 1 и в дальнейшем изменяют обратно пропорционально номеру итерации, а итерационный процесс первого этапа продолжают да тех пор, пока

50 величина среднеквадратичного относитель-ного уклонения временной зависимости виброускорения с датчика обратной связи от эталонного не станет меньше заданной величины, 55

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе для каждой итерации и в каждой частотной полосе разрешения вычисляют текущую среднюю по многим

1747941 итерациям оценку передаточной функции тракта возбуждения; к (N+1) - (1-A(N)) K(N}+ A(N) Я,(й)/SH(N) (1) где K(N) — оценка передаточной функции по ° всем итерациям до N-й включительно;

S<(N) — комплексный спектр сигнала обратной связи на этапе N-й итерации;

SH(N) — комплексный спектр сигнала нэгружения для N-.é итерации;

A(N) — коэффициент усреднения;

N — номер итерации.

Комплексный спектр сигнала нагружения S>(N} для каждой итерации определяют с помощью прямого преобразования

Фурье. . Отношение Sp(N}/S>(N) представляет собой оценку передаточной функции для Nй итерации.

Комплексный спектр сигнала нагружения для И+1-й итерации определяют из выражения

S (И+1} = S/Ê(N+1),: (2) где S- компексный спектр целевой функции (эталона); SH(N -1) — комплексный спектр сигнала нагружения для N+1-й итерации.

Из (2) следует, что

SH(N) - 3/К(й) (3)

Исключая с помощью (2) и (3) K(N) и

К(И+1} из (1) и вводя индекс, задающий номер частотной полосы разрешения, получают итерационную формулу управления для вычисленйя сигнала нагружения нэ любой итерацйи первого этапа. удобную для реализации в устройстве;

Sн(И+1.,М) =

=Sg(N,М}/(1+А(й} (So(N,М)/S(M) 1)); (4)

М = 1,2,....,L, где M — номер частотной полосы разрешения;1 — количество разрешаемых частотных полос, Таким образом, среднюю по многим . итерациям оценку передаточной функции в процессе управления явно не вычисляют, хотя в любой момент она может быть получена из выражения (3).

Временную последовательность сигнала нагружения для каждой следующей итерации получают из комплексного спектра . S>(N+1) с помощью обратного преобразования Фурье, После завершения первого этапа сформированный сигнал нагружения выдают в тракт нагружения при номинальном усилении.

На чертеже изображена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

5 образователь 4, усилитель 5, вибровозбуди10

35

Устройство для управления испытаниями на воздействие ударных нагрузок содержит блок 1 управления, блок 2 памяти, процессор 3 ОБПФ, цифроаналоговый претель 6, усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8. коммутатор 9, процессор 10 БПФ, блок 11 памяти, блок 12 деления, сумматор 13, блок l4 умножения, сумматор 15, блок 16 деления, регистры

17 — 19 и счетчик 20, причем входами устройства являются первый вход блока 1 управления, информационный вход регистра

18, второй информационный вход коммутатора 9 и вход занесения счетчика 20, а первый — девятый выходы блока 1 управления подключены соответственно к управляющим входам блока 2 памяти, процессора 3

ОБПФ, усилителя 5, усилителя 7, коммутатора 9, процессора 10 БПФ, блока 11 памяти, регистра 18 и счетчика 20, причем выход переполнения последнего подключен к второму входу блока 1 управления.

Кроме того, выход блока 2 памяти подключен к входу делимбго блока 16 деления и к информационному входу процессора 3

БПФ, выход которого подключен к входу цифрового преобразователя 4, выход которого подключен к информационному входу усилителя 5, выход которого подключен к входу вибропреобразователя 6, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 8, выход которого подключен к первому информационному входу коммутатора 9; выход которого подключен к информационному входу процессора 10 БПФ, выход которого подключен к второму информациойному входу блока 2 памяти, входу делимого блока 12 деления и к информационному входу блока 11 памяти, выход которого подключен к входу делителя блока 12 деления, выход которого подключен к первому входу сумматора 13, к второму входу которого подключен, выход регистра "i7, э его выходподключен к первому входу блока 14 умножения, к второму входу которого подключен"выход регистра 18, а его выход подключен к йервому входу сумматора 15, K второму входу Kofop010 подключен выход регистра 19, а его выход подключен к входу делителя блока 16 деления, выход которого подключен к первому информационному входу блока 2 памяти, Устройство реализует способ по алгоритму, описываемому. формулой (4), и работает следующим образом, Регистры 17 и 19 являются постоянными запоминающими устройствами, причем первый содержит положительную единицу, а второй — отрицательную, 7

1747941

Предварительно по командам от устройства управления s счетчик 20 загружается количество итераций первого этапа, в регистр 18 загружается соответствующее значение постояной усреднения. После это- 5 го в процессор БПФ через коммутатор 9 загружается массив кодов временной выборки целевого сигнала (эталона). Завершив преобразование, процессор 10 БПФ выдает полученный. массив кодов комплек- 10 сного спектра эталона, который заносится в блок 11 памяти, где и сохраняется в течение всего первого этапа. Затем через коммутатор 9 в процессор 10 БПФ загружается массив кодов временной выборки 15 сигнала нагружения для первой итерации, спектральнзя плотность этого сигнала эа гружаетсч в блок 2 памяти. По команде от устройства управления усилитель 5 переходит в состояние с пониженным коэффи- 20 циентом усиления; а усилитель 7 — с повышенным, причем если коэффициент усиления первого уменьшается в К раз, то коэффициент усиления второго во столько же раз повышается. Коммутатор 9 переклю- 25 чается в состояние, при котором цифровые коды поступают на выход с первого информационного входа, после чего устройство готово к работе.

По команде оператора устройство начи- 30 нает выполнять циклическую процедуру " первого этапа. Каждый итерационный цикл управления начинается с того, что по команде блока 1 управления массив комплексного спектра сигнала нагружения переписывает- 35 . ся из блока 2 памяти в процессор 3 ОБПФ.

По завершении преобразования массив сигнала нагружения rio одному отсчету выдается на цифроаналоговый преобразователь 4, с выхода которого аналоговый 40 сигнал, ослабленный усилителем 5, поступает на вибровозбудитель 6. Сигнал обратной связи с датчика виброускорения (не показан) усиливается усилителем 7 и преобразуется аналого-цифровым преобраэова- 45 телем 8 в непрерывную последовательность кодов, поступающих через коммутатор 9 на вход процессора 10 БПФ, который прийимает массив отсчетов сигнала обратной свя зи .синхронно с выдачей массива сигнала 50 нагружения процессора 3 ОБПФ, причем синхронность обеспечивается управляющими сигналамй из блока 1 управления. По завершении ввода процессор 10 БПФ вычисляет комплексный спектр сигнала обрат- 55 ной связи для текущей итерации. После этого по сигналам от блока 1 управления одновременйо и синхронно блоки 2 и il1 памяти и процессор 10 БПФ начинают поШтучно выдавать отсчеты соответствующих комплексных спектров на входы блоков 12 и

16 деления, Блоки 12-16 производят обработку одновременно поступающих троек отсчетов и для каждой такой тройки вычисляет по формуле (4) один отсчет комплексного спектра сигнала нагружения для следующей итерации, после чего этот отсчет записывается в блок 2 памяти на место только что прочитанного. По завершении вычисления всех отсчетов блок 1 управления выдает сигнал, по которому счетчик 20 уменьшает содержащийся в нем код на единицу и, если этот код стал нулем, устанавливает сигнал переполнения, Блок 1 уп авления аннулирует этот сигнал и, если он отсутствует, переходит к следующей итерации, Циклический процесс управления, таким образом, замыкается.

Если в конце очередной итерации блок

1 управления обнаруживает сигнал переполнения от счетчика 20, то усилители 5 и 7 переводятся в состояние с номинальным усилением, выполняется еще одна итерация, в процессе которой на вибровозбудитель подается сигнал. нагружения номинального уровня, после чего управление заканчивается и устройство переходит в исходное состояние;

Предлагаемый способ по сравнению с известным обеспечивает улучшение точности воспроизведения заданной временной зависимости виброускорения s любой заданной точке испытуемого обьекта эа счет того, что обеспечивает последовательную многократную коррекцию сигнала нагружения, позволяющую существенно уменьшить влияние помех и погрешностей измерений, а также обеспечивает защиту испытуемого обьекта от превышения заданного уровня нагружения на этапе идентификации. Кроме того, он не требует ",.Bÿçàííîão с большими вычислительными затратами пересчета сигнала нагружения по ускорению в сигнал по перемещению.

Формула изабрете ни я

1. Итерационный способ управления испытаймями изделий на ударное воздействие, заключающийся в том, что определяют характеристики тракта нагружения и с их учетом определяют уточненный сигнал нагружения, затем в заданной точке обьекта воспроизводят полученный сигнал при номинальном усилении в тракте нагружения, отличающийся тем, что, с целью повышения"точности воспроизведения заданной формы сигнала в точке контроля, определение характеристики тракта нагружения, а именно частотной передаточной функции, производят итерационно, 1747941

10 причем оценку частотной передаточной функции для (N+1)-й итерации вычисляют в каждой частотной полосе разрешения как взвешенную нормированную сумму отношения комплексного спектра сигнала об- 5 ратной связи для N-й итерации к комплексному спектру сигнала нагружения . для N-й итерации и оценки частотной передаточной функции, вь!численной по N предыдущим итерациям, причем коэффи- 1О циент усреднения выбирают одинаковым .для всех частотных полос разрешения, а уточненный сигнал нагружения для (N+1)-й итерации определяют Фурье-преобразованием отношения комплексного спект- 15 ра эталонного сигнала к средней оценке частотной передаточной функции тракта нагружения в каждой частотной полосе разрешения.

2. Способ по п.1, о т л и «а ю шийся тем, что коэффициент усреднения берут постоянным из диапазона 0.„1 и не зависящим от номера итерации, а количество итераций определяют как произведение величины, обратной коэффициенту усреднения, и некоторой величины, лежащей в диапазоне

1.„10 и выбираемой произвольно.

3. Способ по п,2, отличающийся тем, что коэффициент усреднения для йервой итерации берут равным 1 и в дальнейшем изменяют обратно пропорционально номеру итерации, а итерационный процесс первого этапа продолжается до тех пор; пока величина среднеквадратичного относительного уклонения временной зависимости виброускорения с датчика обратной связи от эталонного не станет меньше заданной величины, 1747941

Составитель О. Носова

Техред М.Моргентал

Корректор E Островская

Редактор А. Orap

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

Заказ 2495 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5