Способ определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний объекта и уровня возбуждающего воздействия

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: выявляют резонансную область частот. Допустимый уровень возбуждающего воздействия определяют с учетом заданной скорости изменения частоты при прохождении резонансной области для возбуждения объекта на резонансной частоте. Устанавливают гармоническое возбуждающее воздействие не более допустимого уровня. Устанавливают частоту возбуждающего воздействия равной нижнему или верхнему значению частоты резонансной области. Частоту возбуждающего воздействия увеличивают или уменьшают с заданной скоростью изменения частоты. Измеряют и регистрируют частоту возбуждающего воздействия и параметры движения объекта как функции времени при условии нахождения частоты возбуждающего воздействия в резонансной области частот, по полученным данным судят о величине возбуждающего воздействия, амплитуде стационарных резонансных колебаний, а также о свойствах колебательной системы объекта: резонансной частоте и добротности. Технический результат: уменьшение времени проведения измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний объектов.

Известен способ [а.с. СССР №3811020, G 01 N 11/16, 1973] определения декремента затухания, по которому возбуждают резонансные колебания исследуемого объекта, затем возбуждают колебания на нерезонансной частоте при воздействии на объект увеличенной вынуждающей силы, обеспечивающей получение амплитуды колебаний, равной амплитуде резонансных колебаний, логарифмический декремент определяют по формуле:

где: ω - нерезонансная частота колебаний, Р - резонансная частота колебаний, В - постоянная, равная относительному повышению вынуждающей силы.

Недостатком известного способа является относительная сложность нахождения резонансной частоты f_p с требуемой точностью, относительная трудоемкость проведения эксперимента.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, приведенный в /Патент РФ №2086943, Бюл. №22, 1997 г., G 01 М 7/02/, котором выявляют резонансную область частот (f_н; f_В), устанавливают возбуждающее воздействие фиксированного уровня на нижней границе частоты резонансной области f_н, увеличивают частоту F возбуждающего воздействия со скоростью vf₁, в процессе увеличения частоты F регистрируют амплитуды колебаний объекта как функцию частоты возбуждения f, определяют частоту f_нв как частоту возбуждающего воздействия, выше которой наблюдается уменьшение амплитуды колебаний, прекращают увеличение частоты возбуждающего воздействия f; затем уменьшают частоту возбуждающего воздействия f со скоростью vf₂, в процессе уменьшения частоты f регистрируют амплитуды колебаний объекта как функцию частоты возбуждения f и определяют частоту f_вн как частоту возбуждающего воздействия, ниже которой наблюдается уменьшение амплитуды колебаний, прекращают уменьшение частоты f, повторяют операции 3-10 до нахождения резонансной частоты f_p с требуемой точностью, регистрируют амплитуду резонансных колебаний А_р объекта на частоте f_p, затем производят расстройку резонанса путем изменения частоты возбуждающего воздействия до некоторой случайно выбранной величины f_p+Δf, регистрируют амплитуду колебаний А_д объекта на частоте f_p+Δf, по совокупности значений А_р, А_д, f_p, f_p+Δf судят о добротности колебаний Q.

Недостатком известного способа является относительная сложность нахождения резонансной частоты f_p с требуемой точностью, другим недостатком является сложность поддержания постоянной амплитуды возбуждающего воздействия. При случайной расстройке частоты f в области малых Δf, погрешность определения Δf существенно влияет на точность определения логарифмического декремента затухания. Общим недостатком известных способов является то, что необходимость проведения измерений на резонансных частотах в установившемся режиме может привести к разрушению объекта при превышении возбуждающего воздействия допустимого уровня. Также существенным недостатком известных способов является то, что они не позволяют определять резонансную частоту, добротность, амплитуду стационарных резонансных колебаний объектов, для которых недопустимы резонансы на стационарных режимах. Известные способы не могут определять резонансную частоту, добротность, амплитуду стационарных резонансных колебаний объекта в динамических режимах.

Поставлена задача определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний и уровня возбуждающего воздействия без остановок и задержек на резонансных частотах, что уменьшит вероятность поломок объекта, а также уменьшит время определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний и уровня возбуждающего воздействия.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний и уровня возбуждающего воздействия

выявляют резонансную область частот (f_н; f_в), определяют допустимый уровень возбуждающего воздействия с учетом заданной скорости vf изменения частоты при прохождении резонансной области, устанавливают гармоническое возбуждающее воздействие не более допустимого уровня, устанавливают частоту возбуждающего воздействия равной нижнему f_н (верхнему f_в) значению частоты резонансной области, частоту F возбуждающего воздействия увеличивают (уменьшают) с заданной скоростью vf, измеряют и регистрируют частоту возбуждающего воздействия F(t) и параметры движения объекта x(t) как функции времени t при условии нахождения частоты возбуждающего воздействия в резонансной области частот (f_н; f_в), по зарегистрированным значениям частоты возбуждающего воздействия F(t) и параметрам движения объекта x(t) как функций времени t судят о величине возбуждающего воздействия Е₀, амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р, а также о свойствах колебательной системы объекта: резонансной частоте f_p и добротности Q.

О величине возбуждающего воздействия Е₀, амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р, а также о свойствах колебательной системы объекта: резонансной частоте f_p и добротности Q судят следующим образом:

при изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по закону, близкому к линейному, по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) для всей резонансной области частот (f_н; f_в) определяют спектральную плотность параметров движения объекта x(f), по спектральной плотности параметров движения объекта x(f) судят о резонансной частоте f_p и добротности Q колебательной системы объекта;

по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) определяют наибольшую наблюдаемую амплитуду колебаний объекта А_наб, об амплитуде стационарных резонансных колебаний объекта А_р судят по значениям наибольшей наблюдаемой амплитуды колебаний объекта А_наб с учетом заданной скорости vf изменения частоты F возбуждающего воздействия и найденных значений добротности Q и резонансной частоты f_p колебательной системы объекта, а о величине возбуждающего воздействия Е₀ судят по отношению амплитуды стационарных резонансных колебаний объекта А_р к добротности Q;

по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) для всей резонансной области частот (f_н; f_в) определяют спектральную плотность параметров движения объекта x(f), по зарегистрированным значениям частоты F(t) возбуждающего воздействия E(t) формируют модель e(t) возбуждающего воздействия E(t), по которой определяют спектральную плотность для модели возбуждающего воздействия e(f), определяют вспомогательную функцию G_в(f), как отношение спектральной плотности параметров движения объекта x(f) к спектральной плотности модели возбуждающего воздействия e(f), о резонансной частоте f_p и добротности Q колебательной системы объекта судят по вспомогательной функции G_в(f), об амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р судят по произведению модуля вспомогательной функции G_в(f_p) на резонансной частоте f_p колебательной системы объекта и амплитуды е₀ модели возбуждающего воздействия e(t) на резонансной частоте f_p, а о величине амплитуды возбуждающего воздействия Е₀ для резонансной частоты f_p колебательной системы объекта судят по отношению амплитуды стационарных резонансных колебаний А_р к добротности Q колебательной системы объекта.

Сущность способа поясняется схемами, представленными на фигурах 1-2; на фиг.1 показаны в резонансной области частот зависимости спектральной плотности параметра движения объекта x(f) (сплошная линия) и параметра движения объекта x(t) как функция частоты f (ось времени пересчитана в соответствующие значения частоты возбуждающего воздействия F(t); зависимость параметра движения объекта x(t) от частоты f показана штриховой линией и для наглядности увеличена в 5 раз);

на фиг.2 показана взаимосвязь нормированного значения амплитуды колебаний от добротности Q и относительной скорости изменения частоты возбуждающей воздействия:

Определение резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний и уровня возбуждающего воздействия предлагаемым способом осуществляется следующим образом:

выявляют резонансную область частот (f_н; f_в), определяют допустимый уровень возбуждающего воздействия с учетом заданной скорости vf изменения частоты при прохождении резонансной области, устанавливают гармоническое возбуждающее воздействие не более допустимого уровня, устанавливают частоту возбуждающего воздействия равной нижнему f_н (верхнему f_в) значению частоты резонансной области, частоту F возбуждающего воздействия увеличивают (уменьшают) с заданной скоростью vf, измеряют и регистрируют частоту возбуждающего воздействия F(t) и параметры движения объекта x(t) как функции времени t при условии нахождения частоты возбуждающего воздействия в резонансной области частот (f_н; f_в), по зарегистрированным значениям частоты возбуждающего воздействия F(t) и параметрам движения объекта x(t) как функций времени t судят о величине возбуждающего воздействия E₀, амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р, а также о свойствах колебательной системы объекта: резонансной частоте f_p и добротности Q.

О величине возбуждающего воздействия Е₀, амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р, а также о свойствах колебательной системы объекта: резонансной частоте f_p и добротности Q судят следующим образом:

при изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по закону, близкому к линейному, по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) для всей резонансной области частот (f_н; f_в) определяют спектральную плотность параметров движения объекта x(f), о резонансной частоте f_p колебательной системы объекта судят, например, по положению максимума спектральной плотности параметров движения объекта x(f), а о добротности Q колебательной системы объекта судят, например, по отношению резонансной частоты f_p колебательной системы объекта к ширине зависимости спектральной плотности параметров движения объекта от частоты x(f) на общепринятом для определения полосы пропускания колебательных систем уровне по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) определяют наибольшую наблюдаемую амплитуду колебаний объекта А_наб, используя - зависимости нормированного значения амплитуды колебаний при различных значениях добротности Q и различных значениях относительной скорости изменения частоты F возбуждающего воздействия и используя значения скорости изменения частоты возбуждающего воздействия vf_l и добротности колебательной системы Q, определяют значение коэффициента нормирования значения амплитуды колебаний объекта;

значение резонансной амплитуды колебаний объекта А_р определяют путем деления наибольшей наблюдаемой амплитуды колебаний объекта А_наб на значение коэффициента нормирования значения амплитуды колебаний объекта.

При изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по произвольному закону согласно предлагаемому способу по зарегистрированным во всей резонансной области (f_н; f_в) значениям частоты входного воздействия F(t) моделируют воздействие на объект в виде какой либо функции той же частоты, например в виде гармонического колебания e(t)=e₀·cos[2π·F(t)·t+ϕ].

Для модели воздействия e(t) для выделенного интервала времени (f_н; f_в) пребывания частоты F возбуждающего воздействия во всей резонансной области (f_н; f_в) находят спектральную плотность e(f) модели воздействия e(t) по формуле прямого преобразования Фурье:

Для того же самого выделенного интервала времени (t_н; t_к) также по формуле прямого преобразования Фурье находят спектральную плотность x(f) зарегистрированных как функцию времени параметров движения объекта x(t):

Реакция x(f) линейной системы в спектральной области связана с воздействием e(f) по /Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 2-е. М.: Советское радио, 1971. - 672 с., ил./ соотношением:

где G(f) частотная характеристика колебательной системы объекта.

Колебательные свойства объекта могут быть определены по его частотной характеристике G(f), которую в свою очередь можно определить из выражения (3) как:

Если резонансная область (f_н; f_в) выбрана так, что колебательная система объекта содержит только одну резонансную частоту, то амплитудно-частотную характеристику колебательной системы объекта в резонансной области по /Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 2-е. М.: Советское радио, 1971. - 672 с., ил./ можно описать выражением вида:

где а - обобщенная расстройка характеризует основные свойства колебательной системы объекта:

здесь Δf=f-f_p - абсолютная расстройка; f_p - резонансная частота колебательной системы объекта.

Для определения параметров колебательной системы объекта: добротности Q и резонансной частоты f_p можно аппроксимировать модуль частотной характеристики |G(f)| модулем выражения (5), т.е.:

Максимальное значение функции |G_a(f_p)| достигается на частоте f=f_p, поэтому частоту, на которой достигается наибольшее значение модуля частотной характеристики |G(f)| можно считать равной резонансной частоте колебательной системы объекта.

Добротность Q колебательной системы объекта можно определить с помощью выражения (7). Для этого находят частоту f₁, для которой значения |G_a(f₁)| уменьшаются по сравнению с резонансной в K₁ раз и частоту f₂, для которой значения |G_a(f₂)| уменьшаются по сравнению с резонансной в К₂ раз, т.е.:

Из этих выражений можно определить добротность Q колебательной системы объекта по одной из следующих формул как:

или

Если из-за помех или других причин положение максимума функции |G(f)| определить затруднительно, то резонансную частоту и добротность также можно определить из выражений:

Влияние помех можно существенно уменьшить, если уровни K₁ и К₂, выбрать для таких частот f₁ и f₂, при которых функция |G_a(f)| имеет наибольшую крутизну. В этом случае частоты f₁ и f₂ определяют приравнивая нулю вторые производные K₁ и К₂ по частоте выражений (8). После подстановки найденных значений частот f₁ и f₂ в выражения (8) получают оптимальные значения K₁ и К₂ равными:

В этом случае резонансную частоту f_p и добротность Q определяют подстановкой значений K₁ и К₂ из выражения (13) в выражения (11) и (12). Получаем, что:

Если принять значения K₁ и К₂ на общепринятом для определения полосы пропускания колебательных систем уровне:

то из выражений (11) и (12) следует:

Определить амплитуду стационарных колебаний на резонансной частоте А_р для того же самого уровня возбуждающего воздействия, что и для динамического режима можно по значению |G_a(f_p)| на резонансной частоте, воспользовавшись тем, что по определению при условии, что E(t) является гармонической функцией.

Если принять, что в стационарном режиме , а функция e(t), моделирующая возбуждающее воздействие, для частоты f_p имеет вид: e_p(t)=e₀·cos[j2π·f_pt+ϕ], то:

Отсюда следует, что амплитуда стационарных резонансных колебаний А_р может быть определена по известной величине амплитуды моделирующей функции е₀ и найденному значению |G_a(f_p)| на резонансной частоте как:

A_p=e₀|G_a(f_p)|.

Так как на резонансной частоте f_p амплитуда А_р параметров движения объекта в Q раз превышает амплитуду возбуждающего воздействия E₀, то

При изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по закону, близкому к линейному, и постоянном уровне гармонического возбуждающего воздействия, спектральная плотность e(f) модели возбуждающего воздействия e(t) будет близка к функции уровня, т.е. будет мало зависеть от текущего значения частоты возбуждающего воздействия F(t), поэтому в качестве частотной характеристики G(f) для определения параметров колебательной системы объекта: добротности Q и резонансной частоты f_p можно использовать спектральную плотность x(f) параметров движения объекта x(t), которая по форме будет ей близка.

Зависимости, показанные на фиг.2, получены из исследования колебательной системы, которая, как известно, описываются линейным неоднородным дифференциальным уравнением (л.н.д.у.) второго порядка. Считая, что возбуждающее воздействие действует на колебательную систему с линейно изменяющейся во времени частотой ω=ω_H+vft, свободный член дифференциального уравнения запишется в виде

С учетом сказанного, уравнение колебаний объекта можно будет записать в виде:

где x(t) - уравнение (функция) колебания объекта от времени;

δ - коэффициент затухания колебательной системы;

ω₀ - резонансное значение угловой частоты колебаний объекта;

A₀ - значение амплитуды ускорения, вызванного действующей на объект возбуждающим воздействием;

ω_н - начальное значение угловой частоты колебаний объекта;

vf - скорость изменения частоты действующего на объект возбуждающего воздействия;

t - время;

ϕ₀ - начальная фаза в уравнении колебаний объекта.

Зависимости нормированного значения амплитуды колебаний при различных значениях добротности Q и различных значениях относительной скорости изменения частоты F возбуждающего воздействия получены на основе аппроксимации множеств значений наблюдаемой амплитуды колебаний для случаев изменения частоты возбуждающего воздействия в направлении "снизу-вверх" и "сверху-вниз" от добротности колебательной системы Q и относительной скорости изменения частоты F возбуждающего воздействия.

Зависимости, показанные на фиг.1, получены из исследования линейного неоднородного дифференциального уравнения (л.н.д.у.) второго порядка с параметрами: добротность Q=30, резонансная частота 2πf_p=333 рад/с, скорость изменения частоты F возбуждающего воздействия vf=160 рад/с², амплитуда ускорения, вызванная действующим на объект возбуждающим воздействием A₀=100 м/с².

Предлагаемый способ позволяет определять резонансную частоту, добротность, амплитуду стационарных резонансных колебаний объекта и уровень возбуждающего воздействия без остановок и задержек на резонансных частотах, что уменьшит вероятность поломок объекта в процессе эксплуатации; операции предлагаемого способа могут быть легко автоматизированы для проведения измерений, что во многих случаях позволит уменьшить время и квалификацию исследователя для определения необходимых параметров.

1. Способ определения резонансной частоты, добротности, амплитуды стационарных резонансных колебаний объекта и уровня возбуждающего воздействия, заключающийся в том, что для объекта выявляют резонансную область частот (f_н; f_в), определяют допустимый уровень возбуждающего воздействия для условия возбуждения объекта на резонансной частоте, устанавливают гармоническое возбуждающее воздействие не более допустимого уровня, устанавливают частоту возбуждающего воздействия равной нижнему f_н (верхнему f_в) значению частоты резонансной области, частоту F возбуждающего воздействия увеличивают (уменьшают) с заданной скоростью vf изменения частоты, измеряют и регистрируют параметры возбуждающего воздействия и параметры движения объекта, отличающийся тем, что допустимый уровень возбуждающего воздействия определяют с учетом заданной скорости vf изменения частоты при прохождении резонансной области, измеряют и регистрируют частоту возбуждающего воздействия F(t) и параметры движения объекта x(t) как функции времени t при условии нахождения частоты возбуждающего воздействия в резонансной области частот (f_н; f_в), по зарегистрированным значениям частоты возбуждающего воздействия F(t) и параметрам движения объекта x(t) как функции времени t судят о величине возбуждающего воздействия Е₀, амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р, а также о свойствах колебательной системы объекта - резонансной частоте f_p и добротности Q.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по закону, близкому к линейному, по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) для всей резонансной области частот (f_н; f_в) определяют спектральную плотность параметров движения объекта x(f), по спектральной плотности параметров движения объекта x(f) судят о резонансной частоте f_p и добротности Q колебательной системы объекта.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при изменении частоты возбуждающего воздействия F(t) как функции времени t по закону, близкому к линейному, по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) определяют наибольшую наблюдаемую амплитуду колебаний объекта А_наб, об амплитуде стационарных резонансных колебаний объекта А_р судят по значениям наибольшей наблюдаемой амплитуды колебаний объекта А_наб с учетом заданной скорости vf изменения частоты F возбуждающего воздействия и найденных значений добротности Q и резонансной частоты f_p колебательной системы объекта, а о величине возбуждающего воздействия Е₀ судят по отношению амплитуды стационарных резонансных колебаний объекта А_р к добротности Q.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по зарегистрированным параметрам движения объекта x(t) для всей резонансной области частот (f_н; f_в) определяют спектральную плотность параметров движения объекта x(f), по зарегистрированным значениям частоты F(t) возбуждающего воздействия E(t) формируют модель e(t) возбуждающего воздействия E(t), по которой определяют спектральную плотность для модели возбуждающего воздействия e(f), определяют вспомогательную функцию G_в(t) как отношение спектральной плотности параметров движения объекта x(f) к спектральной плотности модели возбуждающего воздействия e(f), о резонансной частоте f_p и добротности Q колебательной системы объекта судят по вспомогательной функции G_в(f), об амплитуде стационарных резонансных колебаний А_р судят по произведению модуля вспомогательной функции G_в(f_p) на резонансной частоте f_p колебательной системы объекта и амплитуды е₀ модели возбуждающего воздействия e(t) на резонансной частоте f_p, а о величине амплитуды возбуждающего воздействия Е₀ для резонансной частоты f_p колебательной системы объекта судят по отношению амплитуды стационарных резонансных колебаний А_р к добротности Q колебательной системы объекта.