Устройство для моделирования механическихсистем
О П И С Л Н И Е 263294
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВйДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советскик
Социалистическнз
Республик
/ф +Фь
Ф "1
Зависимое от авт. свидетельства Ме
Кл. 42m<, 7/48
Заявлено 11.Х1.1968 (№ 1281774/18-24) с присоединением заявки М 1294403/18-24
Приоритет
Опубликовано 04.ll.1970. Бюллетень Ме 7
Дата опубликования описания 4Л 1.1970
МПК О 06д
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров
СССР
У K 681.333.001.57 (088,8) Автор изобретения
И. Н. Медяков
Заявитель
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Изобретение относится к аналоговой вычисл ительной технике.
Известно устройство для моделирования механических систем, содержащее интегрирующий операционный усилитель, диоды и входные резисторы. Как obI ни оыли совершенны подобные устройства для воспроизведения диссипативных сил, всегда останется, пусть малая, неточность в их работе, выражающаяся в том, что прои нулевой скорости тел на выходе этих устройств имеется (часто весьма значительное) напряжение, которое, будучи приложено к нормальному входу (через входной резистор, соединенный с суммирующей точкой) интегрирующего усилителя, вызывает увеличение напряжения на его выходе, а это соответствует разгону тела диссипативными силами.
Такие явления снижают точность моделирования, создавая реально не существующие автоколебания модел ируемых систем.
Сложность устройств, воспроизводящих дисоипативные силы, зависящие от нескольких параметров, в том числе и от знака скоростями тела, определяется в основном трудностью .построения умножителя функции моделируемых параметров на знак скорости. Предложенное устройство отличается тем, что с целью повышения точности моделирования при воспро изведен и и эффекта действия диссипативных сил и упрощения дополнительных схем формирования соответствующих диссипативным аилам напряжений в нем между суммирующей точкой tH выходом интегрирующего ус ил ителя включены четырехд иодные мостовые элементы, причем точки соединения одноименных электродов мостовых элементов через входные резисторы подключены к источнику входного н апряжения.
1О Такое выполнен не .интегрирующего устройства позволяет: — принципиально исключить возможность возникновения противоестественного факта разгона тела диссипативными силами, что по15 вышает точность моделирования процессов, происходящих с потерям и энерпии, пра> воспроизведении эффекта действия д иссипатпвных сил; — упростить дополнительные схемы форми20 рования соответствующих диссипативным силам напряжений, когда последн|не зависят от нескольких моделируемых параметров, за счет того, что умножение на знак скорости выполняет само предлагаемое устройство.
25 В первом из указанных достоинств интегрирующего устройства заключается технический, а во втором — экономический эффект данного изобретен ия.
На фиг. 1 приведена схема интегрирующе30 го устройства для моделирования механиче263294 сиих систем, в которых происходят процессы, связанные с потерями энергии; на фиг. 2— схема модели безлюфтовой обратимой механической передачи.
Устройство (фиг. 1) содержит интегрирующ ий усилитель 1,и четырехдиодные мосты 2, которые включены между выходом 3 и сумм ирующей точкой 4 усилителя.
К выходу входного резистора 5 подключают источник напряжения U, пропорц ионального активной силе, а к выходам входных резисторов б,и 7 — источники напряжений Е, и Ег, (i=1,2,..., n), соответствующих диссипативным с илам.
Для удобства пояснения прин ыпа работы цифрами 8 — 11 обозначены, диоды одного четырехдиодного моста 2, буквой V — напряжен ие на выходе 8 усилителя, цифрой 12 — конденсатор обратной связи. При работе устройства может быть несколько различных сочетаний величин и знаков напряжений U, Еь, Ег,, V, в связи с чем здесь рассматриваются отдельно важнейшие случаи, Сопротивления всех резисторов приняты для простоты одинаковыми, равными R.
1, Напряжения Е, .и Ег, отсутствуют, т. е. источники этих напряжений не подключены.
Между выходом 8 ы суммирующей точкой 4 интегрирующего уоилителя 1 включены параллельно 2„цепочек встречно включенных диодов (напр имер, диодов 8 и 9, 10:и 11). Пры хорошем качестве диодов сопротивление каждой такой цепочки велико, и их включение практически не влияет на воспроизведение зависимости: — U=V, RC где V — производная по времени от напряжения U;
С вЂ” величина емкости конденсатора обратной связи.
Если напряжение U пропорционально активной силе, напряжение V, взятое с обратным знаком, соответсгвует скорости инерционного тела, движущегося под действием этой силы в условиях, исключающих потери энерпии; причем, если знаки напряжений таковы, что произведение UV<0, то воспроизводится эффект разгона (абсолютная величина напряжен ия V увеличивается), если же UV)0, то воспроизводится эффект торможения (абсолютная величина напряжения V уменьшается.)
Из-за конечного (порядка сотен мегом) сопротивления цепочек диодов число и параллельно включенных мостов 2 не должно превышать четырех-пяты, но этого вполне достаточно для моделирования большого класса систем.
2. Напряжение Е> (О, а напряжение
Ег ) О.
В этом случае сопротивление цепочек диодов еще более возрастает по сравнению со
65 становится меньше нуля, сопротивление диодов 8 m 11 возрастает, а сопротивление диодов
9,и 10 уменьшается, а напряжение Ег, (0 через рез истор 7;и диод 10 оказывается приложенным к сумм ирующей точке 4 ы вызывает изменение напряжения V в обратную сторону.
4 случаем, когда напряжения Е>г и Ег, отсутствуют, в силу чего налич ие отр ицательных напряжений EII и положительных Ег не влияет на воспроизведение зав ис имосги
1 — U= V.
RC
3. Напряжение Е>, )О, напряжение Ег, (0.
В этом случае изменение напряжения V завис ит не только от напряжения К но и от напряжений Е>, и Ег, .
Для простоты рассмотрения и описания этого случая будем считать, что четырехдиодный мост 2 только один.
Предположим, что V)0. Диоды 9;и 10 пры этом заперты, а диоды 8 и 11.открыты. Напряжение Ег,, подключенное к выходу 8 уоил ителя 1 через высокоомный резистор 7 ы диод 11, оказывает на воспроизводимые процессы столь малое влияние, что им можно пренебречь, а напряженые EI,, подключенное к суммирующей точке 4 усилителя 1 через резистор б и диод 8, замедляет увеличение (при U(0) или
25 ускоряет уменьшение (при U)0) абсолютной величины напряжения V.
Если V<0, диоды 9 и 10 открыты, а диоды
8 и 11 заперты. При этом же напряжение
Ег подключенное к суммирующей точке 4 усилителя 1 через резистор 7 ы диод 10, замедляет увеличение (при U)0) ил и ускоряет уменьшение (прои U(0) абсолютной величины напряжения V, а напрягкение Е,, подключенное к выходу 8 усилителя 1 через высокоомный резистор б и диод 9, оказывает íà во;праизводимые процессы пренебрежимо малое влияние.
Итак, четырехдиодный мост 2 (см. фиг. 1)
40 подключает к суммирующей точке 4 интегрирующего усилителя 1 .именно то из двух напряжений EI или Ег,, которое в данный момент пр ивод ит к уменьшению абсолютной велич ины напряжения V, 45 4. Рассмотрим особо случай, когда EI )О, Ег, (О, V=0.
Пусть сначала напряжение U=O. Покажем, что напряжение Vостается равны,м нулю,,как бы не изменялись напряжения EI ) О и
Ег (О. Предположим, что напряжение V под действием каких-либо .факторов (напр имер, дрейфа) стало на некоторую величину (например, O,l — 0,2в) больше нуля. Тогда сопротивлен ие диодов 9 и 10 увеличивается, а диоды 8 и 11 приоткрываются, и напряжение Е,, приложенное через резистор б и диод 8 к сумм ирующей точке 4, вызывает уменьшен не до нуля напряжения V. Если же напряжение
263294
Высокочастотных колебаний около нуля вози икнуть не может из-за наличия шунтирующего эти колебания интегрирующего конденсатора обратной связи 12.
Пусть теперь напряжение U начнет увелич иваться от нуля по произвольному закону.
Напряжен ие V при этом будет изменяться, в пределах одной — двух десятых .долей вольта около нуля, и (в зависимости от знака V) либо диод 8, либо д|иод 10 будет приоткрываться ровно настолько, чтобы ток под действием напряжения EI, (или Е2 ) через резистор б (IHJIiH 7) IH диод 8 (IHJIH 9) скомпенсировал ток от действия напряжения U через резистор 5. И только тогда, когда д иод 8 или 9 будет полностью открыт, а ток от действия напряжен ия станет больше (по абсолютной величине) тока, протекающего через резистор б (ил и 7) от действия соответствующего напряжения Е>, (или Е2, ), начинается интегрирование разности напряжений U — Е, (или
U — Е2 ).
Резюмируя изложенное, приходим к выводу, что, есл|и от воздействия напряжения U, приложенного к нормальному входу интегртирующего усилителя 1, напряжение V на его выходе изменяется так, как изменяется скорость тела под действием активной силы, то от действия Еу, )О и Е2, (О напряжение V изменяется так, как изменяется скорость тела от действия д исоипативных сил (например, трения), т. е. разгон замедляется, а торможение ускоряется.
Рассмотренный выше 4-й случай показывает, что предлагаемое устройство воспроизводит эффект трения покоя, т. е. есл|и действующая сила меньше сил статического трения, движение возникнуть не может. Чтобы получить этот эффект, достаточно к точкам соединения одHOIHMBHHbIx электродов диодов одного четырехдяодного моста пр исоединить через рез исторы,источник двухполярного напряжения, Устройство для модел ирован ия (фяг. 2) безлюфтовой обратимой механической передачи содержит, как и устройство на фиг. 1, интегрирующий операционный усилитель 1, один четырехдиодный мост 2, который включен между выходом 8 и суммирующей точкой 4 янтегр ирующего усилителя 1, входные резисторы
5 — 7 и д|иоды 8 — П.
Интегрирующий опер ацтионный усилитель, вычисляющий скорость движения тела, Является типовым решающим блоком электронной аналоговой машины. Ко входу модели подключают напряжение UI, пропорц иональное акпивной силе, приложенной ко входу моделируемой передачи, а на выходе 8 уоилителя получают напряжение U2, пропорциональное скорости инерц|ионного тела, присоед иненного к выходу передачи.
Модель работает следующим образом.
Рассмотрим четыре случая сочетаний знаКоВ напряжений Uy H U2.
1..Пусть У2)0, à U2(0.
В этом случае к сумыирующей точке 4 IHHтегрирующего уоилителя 1,источник напряжения U< подключен только через резистор 5, ябо диоды 10 и 11 заперты напряжением U>, а диод 8 — напряжением U2. 2. Пусть UI(0, à U )0.
И в этом случае к сумярующей точке 4 интегрирующего усил(ителя источник напряжения U, подключен только через резистор 5, ибо диоды 8,и 9 заперты напряжением Uy, а диод 10 — напряжением U .
Так что в обо их этих случаях, соответствующих разгону тела и прямому ходу передачи, модель решает уравнение
U2.=К,У,, где U2 — производная по времен и от напряжен ия U2, К вЂ” коэффициент пропорциональности, 20 зависящий от величины сопротивления рез истор а 5.
3. Пусть U>)0iH U2)0.
В этом случае к суммирующей точке 4 интегрирующего усилителя,источник напряжения UI подключен через резисторы 5 и б, ибо диоды 10 и 11 заперты напряжением U>, а диод 9 — напряжением U2.
4, Пусть U (0 и U2(0.
iB этом случае к суммирующей точке 4 инЗ0 тегр ирующего усял ителя источник напряжения U> подключен через резисторы 5 и 7, ибо диоды 8 и 9 заперты напряжением U I, а диод
11 — напряжением U2.
В двух последних случаях, соответствующих
35 торможению тела |и обратному ходу передачи, модель решает уравнен не 2 К2 т-т 1т где К2 — коэффициент пропорциональности, 40 зависящеи от суммарного сопротивления включаемых параллельно резисторов 5iH б (либо Б и 7).
Таким образом, предлагаемая модель вос45 производит необходимые завиоимостя:
1 .а,М,„при Л,„а,>0 — и„
" при М,„ co — угловое ускорение; 1 — передаточное число передачи; 55 Ч1, 112 в к.п.д. прямого и обратного хода передач и. Предмет изобретения Устройство для моделирования механ ических систем, содержащее интегрирующий операционный усилитель, диоды и входные резисторы, отличающееся тем, что, с целью повы65 щения точности и упрощения устройства, в 263294 соединения одно именных электродов мостовых элементов через входные резисторы подключены к источнику входного напряжен ия, I I и 4 l ( (тт (I Составитель Е. В. Тимохина Техрсд Т. П, Курилко Корректор В. В. Комарова Редактор Б. Б. Федотов Заказ 1380/3 Тираж 500 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова. 2 нем между суммирующей точкой и выходом ,интегрырующего усилителя включены четырехдиодные мостовые элементы, причем точки J l ! (t ! (— Э 1г, I (1 () 
