Устройство для моделирования вибра-ционных процессов

 

Союз Советских

Социалистических

Республим

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИ ИТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, саид-ву (223 Заявлеио 10. 01. 79(Щ 2711196/18-2 (51) М. Кл.

Cj 06 V 15/20 с присоадииаиием заявки ИР

Гасударственный коиятет

СССР яе хэви «звбретекяя я OlRphtfil Й

Ойубликовано 150281, Бюллетень М2 6 . (531УДК 681 З25 (,088. 8.}

Дата опубликования описания 17.0281 (72) Авторы изобретения

В. Н. Ярмолик и А. Е. Леусенко

Минский радиотехнический институт (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ВИВРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве специализированной системы для управления вибрационным испытательным стендом.

Известна система для управления вибрациями, содержащая генераторы.шума, регулировочные цотенциометры, аналоговые полосовые фильтры задающей стойки, усилители, согласующие усилители, усилители мощности, голосовые анализирующие фильтры, детекторы и т.д . 1 .

Использование аналоговых блоков приводит к нестабильности основных характеристик системы в целом, устра " нение которой осуществляется введением большой аппаратурной избыточности. Кроме того, подобные устройства отличаются низкой технологичностью изготовления и настройки системы в целом, громоздкостью и значительной энергоемкостью.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является система для управления вибрациями, в состав которой входят вибростенд, аналого-цифровой преобразователь, блок хранения выходных отсчетов, спектральный анализатор, блок усред нения спектров., блок сравнения, блок хранения эталонного спектра, блок хранения входных спектров, процессор обратного преобразования Фурье, генератор случайной фазы, блок умножения, блок хранения входных значений; цифро-аналоговый преобразователь. Известная система для циф10 рового управления вибрациями испытательным стендом предназначена для привода в действие и управления вибрационными испытаниями среды для устройств типа вибрационного стенда со случайным сигналом для того, чтобы подвергать образец в среде или на аппаратуре вибрациям с заданной спектральной плотностью. Движение или ускорение, которым подвергается образец в среде или на аппаратуре, вос20 принимтся акселер,трами и преобразуют в цифровой сигнал в аналогоцифровом преобразователе. Анализ спектральной плотности цифрового сигнала осуществляется с помощью Фурьепреобразования. Эта спектральная плотность сравнивается с желаемой или заданной спектральной плотностью и результат сравнения используется для генерации случайного сигнала, коЗ0 торый будучи преобразованным в сигнал

805330

Цель изобретения — увеличение точности задания спектральной плотности

Мощности, повышение качества генерируемого случайного процесса и упро- 55 щение аппаратурного построения системы.

Для достижения поставленной цели в систему для управления вибрации, содержащую последовательно включенные цифроаналоговый преобразователь, 60 вибростенд, аналого-цифровой преобразователь и блок хранения выходных отсчетов, а также блок хранения эталонных значений и блок хранения входных значений, введены источник шума, 65 во временную область, приводит в дей-ствие и управляет вибрацией среды или аппаратуры. Генератор случайной фазы генерирует случайный параметр

I цифрового. сигнала. Этот цифровой фазовый угол используется вместе с результатами сравнения между действительной и желаемой спектральными плотностями мощности для получения случайного цифрового сигнала. Этот сигнал преобразуется в функцию времени с помощью обратного .преобразования Фурье. Результаты обратного преобразования Фурье преобразуются в аналоговый сигнал, который исполь— эуется для привода и управления среды или аппаратуры. 15

Таким образом, система позволяет подвергать образец вибрациям, имеющим заданную спектральную плотность мощности или автоспектральную плотность $2) . 20

Основным недостатком подобной системы является невозможность получения истины случайного процесса, так как алгоритм Райса-Пирсона, используемый в данной системе, позволяет генерировать псевдослучайный сигнал. Кроме того, для достижения реального масштаба времени работы системы возникает необходимость в увеличении объема выборок преобразуемых БПФ и ОБПФ во временную и затем в частотную области, что сказывается на точности отработки выходных спектров.

Потребность в получении длительных реализаций случайного процесса приводит к тому, что на выходе системы получается реализация, состоящая из многократно повторяющейся одной реализации псевдослучайного сигнала. Наличие аппаратуры для сглажи- 40 вания стыков соседних реализаций значительно усложняет аппаратурную реализацию.

Недостатком данной системы является также наличие переходного процесса для установления на выходе требуемой спектральной. плотности мощности. Это объясняется необходимостью

Использования в подобных системах

Иттерационных методов настройки на требуемый спектр. формирующий фильтр, коррелометр, блок для решения системы линейных уравнеий и блок изменения весовых коэффииентов, выход блока хранения выходных. отсчетов соединен с первым входом коррелометра, выход которого соединен о-первым входом блока для решения системы линейных уравнений, выХод которого через блок изменения весовых коэффициентов соединен со входом блока хранения входных значений, первый выход которого соединен с первым входом формирующего фильтра, выход источника шума подключен ко вторым входам формирующего фильтра и коррелои метра, а ко второму и третьему входам блока для решения системы линейных уравнений подключены выход блока эталонных значений и второй выход блока хранения входных значений соответственно.

На чертеже изображена блок-схема системы.

Система для управления вибрациями состоит из вибростенда 1, аналогоцифрового преобразователя 2, блока 3 хранения выходных отсчетов, коррелометра 4, блока 5 для решения системы линейных уравнений, блока б хранения эталонных значений, блока 7 изменения весовых коэффициентов, блока 8 хранения входных значений, источника 9 шума, формирующего фильтра 10, цифроаналогового преобразователя 11.

Формирующий фильтр 10, цифроаналоговый преобразователь 11, вибростенд

1, аналого-цифровой преобразователь 2, блок 3 хранения выходных отсчетов, коррелометр 4, блок 5 для решения системы линейных уравнений, блок 7 изменения весовых коэффициентов, блок 8 хранения входных значений и цифровой формирующий фильтр 10 соединены последовательно, а выход источника 9 шума подключен ко вторым входам формирующего фильтра 10 и коррелометра 4, и, кроме того, ко второму и третьему входам блока 5 для решения системы линейных уравнений подключены выходы блока 8 хранения входных значений и блока б хранения эталонных значений.

Вибростенд 1 служит для преобразования электрического сигнала в механическое воздействие, а также для механического воздействия на исследуемый объект. Цифроаналоговый 11 и аналого-цифровой 2 преобразователи предназначены для преобразования цифровой информации в аналоговую и ана-. логовой в цифровую соответственно.

Блок 3 хранения выходных отсчетов, блок 6 хранения эталонных значений и блок 8 хранения входных значений представляет собой идентичные оперативные запоминающие устройства, служащие для хранения цифровой информации. Коррелометр 4 предназначен для определения взаимокорреляционной

805330

Точность задания спектральной плотности мощности повышается за

d0 счет уменьшения или почти полного отсутствия переходного процесса. Уже в процессе однократного ращения системы уравнений процессором определяются коэффициенты, которые пред определяют соответствие реальной

4унннии между случайным процессом, получаемым на выходе источника 9 шума, и выходным случайным процессом с произвольным спектром на выходе блока 3. Блок 5 для решения системы линейных уравнений представляет собой специализированное вычислительное устройство, выполняющее функцию решения следующей системы линейных уравнений. Формирующий фильтр 10 представляет собой простейшее арифметическое устройство, .реализующее алгоритм работы цифрового нерекурсивного фильтра, т.е. блок 10 представляет собой простейшее суммирующее устройство„ осуществляющее вычисление весовых коэффициентов или их инверсий.

Функционирование устройства происходит следующим образом.

Перед началом работы в блок 8 хранения входных значений заносятся значения весовых коэффициентов, соответствующих желаемой спектральной плотности мощности. Эти же значения весовых коэффициентов записываются в память процессора 5 и блок б хранения эталонных значений, так как в установившемся режиме на выходе системы необходимо получить желаемую спектральную плотность мощности, которой соответствуют весовые коэффициенты., После включения системы на вход цифрового формирующего фильтра 10 поступают отсчеты шума,. т.е. значения 1 или -1, которые после умноже- ния на соответствующий коэффициент суммируются в блоке 10. После 2 тактов суммирования на выходе цифрового формирующего фильтра 10 получается первый отсчет выходного случайного процесса. Многократно повторяя описываемую процедуру, на выходе блока 10 получаем отсчеты дискретного случайного процесса заданной спектральной плотностью мощности. Цифроаналоговый преобразователь 11 преоб.— разует дискретный случайный процесс в аналоговую форму и подает на вибростенд 1. Необходимо заметить, что вибростенд 1 имеет такие устройства, как усилитель мощности, акселерометр, преобразователь электрических. колебаний в механические и наоборот.

Аналого-цифровой преобразователь 2 преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму в виде последовательности дискретных .отсчетов выходного случайного процесса, которые записываются в блок 3 хранения выходных отсчетов. По мере того, как находится необходимый объем отсчетов в блоке 3 или же в реальном масштабе времени, коррелометр 4 вычисляет значения взаимокорреляционной функции.

Оценки взаимокорреляционной функции определяют значение весовой функции системы формирующий фильтр — вибростенд. Выходными значениями коррелр метра 4 являются оценки взаимокорреляционной функции. После определения всех значений взаимокорреляционной функции получается полная система уравнений. Решение этой системы является процессом идентификации, в результате которого определяется весовая функция вибростенда с исследу емым, объектом.

После окончания процесса идентификации в систему уравнений подстав 0 ляются значения весовой функции, храняющейся в блоке 6, которой соответствует требуемый вид спектральной плотности мощности, который необходимо получить на выходе системы. В дан15 ном случае система решается относительно весовых коэффициентов формирующего фильтра 10, причем коэффициентами системы уже будут являться значения весовой функции, определенщ ной на этапе идентификации. После решения системы получаются весовые коэффициенты фильтра, использование которых позволяет получить на выходе системы требуемый вид спектральной плотности мощности.

Блок 7 изменения весовых коэффициентов осуществляет плавное изменение коэффициентов цифрового формирующего фильтра с целью избежания

30 перерегулирования в процессе настройки системы.

С целью поддержания требуемого значения спектральной плотности мощности обратная связь в системе не

35 разрывается и поэтому процесс перерасчета весовых коэффициентов беспрерывно продолжается. Вполне естественным режимом предложенного устройства является возможность изме40 нения желаемой спектральной плотности мощности, т.е. соответствующий ей коэффициентов в течение работы системы. Это особенно полезно, когда возникает необходимость подвергать образец"возбуждению, моделирующему

45 изменяющуюся во времени вибрацию среды.

Точность задания спектральной плотности мощности в известном уст.ройстве определяется, в конечном

50 счете, объемом запоминающих устройств количество информации которых принципиально увеличить до "-начительной величины невозможно, и, кроме того, длительностью переходного процесса, 55 в течение которого реальный вид спектральной плотности мощности будет отличаться от желаемой.

805330

Формула изобретения

ИПИ Заказ 10904/72 раж 75á Подписное спектральной плотности мощности желаемой. Длительность переходного процесса в этом случае будет определять ся только блоком 7 изменения весовых коэффициентов. Кроме того, объем запоминающих устройств H размерность системы можно знаительно увеличить, так как перерасчет весовых коэффициентов необходим только эпизодически с целью проверки на соответствие реальной спектральной плотности мощности желаемой.

Наличие источника 9 шуМа, построенного на чисто физических йринципах, позволяет получать иеповторяющиеся реализации случайного процесса, характеризующиеся истинной случайнос- 3$ тью,и полной независимостью (а .ие иекоррелированностью и псевдослучайностью, как в известном), что в решающей степени, сказывается иа качестве. случайного процесса. В известном уст- @ ройстве случайный процесс, воздействующий на вибростенд, не может. удов" летворять истинной случайности при различных длинах .реализаций, а также независимости, так как единственный элемент, вносящий случайность, реализован на регистре сдвига с сумматором по модулю два в цепи обратной связи и представляет собой генератор псевдослучайных чисел. Кроме того, выходной процесс, генерируемый известным устройством будет состоять из ряда отдельных, одинаковых выборок., что вызывает необходимость в решении задач рандомизации одной и той же выборки и стыковки таких реализаций в ЗЗ одно целое для получения единого процесса. Выходной процесс будет иметь одаородную структуру, т.е. проблема стыковки отдельных реализаций отсутствует, и, кроме того, снимается не- @ обходимость в рандомизации весовых зйачений, так как в качестве первично."о источника шума используется истинно случайный физический датчик. упрощение аппаратурного построения „ цифровой. вычислительнОй системы для управления вибрациями обуславливается использованием для ее реализации типовых блоков вычислительной техники, таких как запоминающее устройство, сумматор и т.д. Кроме того, реализация вновь введенных блоков. в систему гораздо проще, чем, например, реализация блоков быстрого преобразования Фурье и устройства умножения комплексных чисел в известном.

Устройство для моделирования вибрационных процессов, содержащее поледовательно включенные цифроаналоовый преобразователь, вибростенд, аналого-цифровой преобразователь и блок хранения выходных отсчетов, а также блок хранения эталонных значений и блок хранения входных значений, о т л и ч а.ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, введены источник шума, формирующий фильтр, коррелометр, блок для решения системы линейных уравнений и блок изменения. весовых коэффициентов, выход блока хранения выходных отсчетов соединен с первым входом коррелометра, выход которого соединен с первым входом блока для решения системы линейных уравнений, выход -которого через блок изменения весовых коэффициентов соединен со входом блока хранения входных значений, первый выход которого соединен с первым входом формирующего Фильтра, выход источника шума подключен ко вторым входам формирующего фильтра и коррелометра, а ко второму и третьему входам блока для решения системы линейных уравнений подключены выходы блока эталонных значений н второй выход блока хранения входных значений соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кузнецов A. A. Внбрационные испытания элементов и устройств автоматики. М., "Энергия", 197б.

2. Патент OQA Ф 3710082, кл. 235. 151 (прототип 1.

Филиал ППП "Патент", г .ужгород,ул.Проектная,4