Устройство для моделирования ротор-ных систем

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (»)822221 (61) Дополнительное к ввт. саид-ву (22) Заявлено 1903,79 (21) 2740823/18-24 (51)М. Кл З с присоединением заявки ¹

G 06 G 7/66

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.0481. бюллетень Н9 14

Дата опубликования описания 15.04.81 (53) УДК 62-52 (088. 8) Г (72) Автор изобретения

И.Ю.Скучас

Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (71) Заявитель

БИ(;А!! 0,; (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Р0ТОРННХ СИСТЕМ

Изобретение относится к автомати-1 зации научных исследований механических колебательных систем и может быть применено для автоматиэированного синтеза сложных нелинейных систем

5 с помощью аналоговых и аналого-цифровых вычислительных машин.

Известны устройства для моделирования беэ определения возможной области изменения параметров и предотвращения вредных неустойчивых режимов в нелинейной системе (1).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирова- 15 ния нелинейных роторных систем, содержащее возбудитель крутильных колебаний, прикрепленный через крутильный динамометр к валу роторного механизма, выход которого через после- 20 довательно включенные операционный усилитель и усилитель мощности соединен с первым входом управляемого ограничителя, выход которого соединен со входом возбудителя крутильных колебаний, и закрепленный на валу роторного механизма датчик крутильных колебаний, выход которого соединен со входом блока дифференцирования (2) . 30

Однако данные устройства не позволяют определить возможную область изменения параметров и предотвратить появление вредных неустойчивых режимов в нелинейных роторных системах при их автоматизированном синтезе.

Цель изобретения — повышение точности моделирования. укаэанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования роторных систем, содержащее возбудитель крутильных колебаний, прикрепленный через крутильный динамометр к валу роторного механизма, выход которого соединен со входом блока параметрической оптимизации, выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого через последовательно включенные операционный усилитель и усилитель мощности соединен с первым входом управляемого ограничителя, выход которого соединен со входом возбудителя крутильных колебаний, и закрепленный на валу роторного механизма датчик крутильных колебаний, выход которого соединен со входом блока дифференцирования, введены фаэометр, первый и второй дополнительные умножители, 822221

4 функциональный преобразователь, частотомер, блок запоминания экстремальных значений, первый и второй элементы ИЛИ, ключ, пороговый элемент, вычислительный блок и m, каналов управления, каждый из которых состоит из первого и второго блоков возведения в степень, умножителя, делителя и блока сравнения, причем выход датчика крутильных колебаний соединен со входом частотомера и входом блока запоминания экстремальных значений, выход частотомера соединен са входами первых блоков возведения в степень каналов управления, в каждом из которых выход первого блока возведения в степень соединен с первым входом умножителя, выход которого соединен с первым входом делителя своего канала, выход которого связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго блока возведения в степень, а выходы блоков сравнения всех каналов управления соединены соответственно со входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом управляемого ограничителя, выход блока дифференцирования соединен со вторым входом умножителя, связанным с первым входом фазометра и входом вычислительного блока, нечетные выходы которого подключены соответственно ко вторым входам умножителей каналов управления,а четные выходы вычислительного блока соединены соответственно со входами второго элемента

ИЛИ, выход которого через последовательно соединенные ключ и пороговый элемент связан с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом фазометра, выход которого соединен с первым входом первого дополнительного умножителя, второй вход которого подключен к выходу частотомера, выход дополнительного умножителя соединен с управляющим входом ключа и через функциональный преобразователь связан с первым входом второго дополнительного умножителя, выход которого соединен со вторыми входами делителей всех каналов управления, причем выход блока запоминания экстремальных значений соединен со входами вторых блоков . возведения в степень всех каналов управления, а выход блока параметри ческой оптимизации соединен со входом второго дополнительного умножителя, На чертеже приведена схема устройст ва.

Схема устройства содержит вал 1 роторного механизма 2, возбудитель

3 крутильных колебаний с неподвижным корпусом 4, жестко соединенным с постоянным электромагнитом 5, с якорем 6, жестко закрепленным на валу 1 и через пружины 7 - к корпусу 4, и обмотками 8, расположенными на якоре 6, крутильный динамометр 9, закрепленный на валу 1 между роторным механизмом 2 и возбудителем 3, 5 датчик 10 крутильных колебаний, закрепленный на валу 1, блок 11 моделирования, состоящий из последовательно соединенных умножителя 12 и операционного усилителя .13, блок

14 параметрической оптимизации, че,рез который выход динамометра 9 соединен с вторым входом блока 11, усилитель 15 мощности и последовательно с ним соединенный управляемый ограничитель 16, через которые выход опера 5 ционного усилителя 13 соединен с обмоткой 8 возбудителя 3, фазометр 17, один вход которого соединен с выходом динамометра 9,и последовательно с ним включенные первый умножитель

20 18, функциональный преобразователь

19 и второй умножитель 20, к второму входу которого подключен выход блока 14, частотомер 21, блок

22 запоминания экстремальных значений и вычислительный блок 23, блок

24 дифференцирования, через который выход датчика 10 соединен с входами блоков 11, 17 и 23, а также выход датчика 10 непосредственно соединен с входами блоков 21, 22, последовательно соединенные первый элемент 25 ИЛИ, входы которого соединены со счетными выходами блока

23, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом блока 18, и пороговый элемент 27,28„,28>,...,28„идентичные каналы управлейия, в каждом 1-том из которых: 29„ — умножитель, вход которого соединен с i-тым нечетным выходом блока 23, последо4О вательно с ним соединенные блок 30; деления, второй вход которого соединен с выходом блока 29, и блок 31„ сравнения, а также 32„, 33; - блоки возведения в (П-1) степени, через

4 которые выход частотомера 21 и выход блока 22 запоминания экстремальных значений соединен со вторым входом блока 29„ и 31„ соответственно, второй элемент 34 ИЛИ, через который

gp выходы блоков 27, 31, 312,...,31 соединены с входом управляемого ограничителя 16.

Устройство работает следующим

g5 образом.

Вал 1 роторного механизма совер° шает крутильные колебания в зависимости. от процессов, происходящих в роторном механизме или созданных искусственно. Также колебания по одной из модельных форм может быть выражено уравнением

82222 l где ((q — координаты угловых ускорений, скорости и амплитуды колебаний;

J — приведенный момент инерции вала 1;

Р1(1ф),F>(g) — диссипативные и потенциальные характеристики роторного механизма;

М вЂ” приведенный активный момент,.действующий на вал 1.

Потенциальная характеристика во многих случаях известна, является более простой или даже линейной, т.е. F2 (pl= к q, где )с — коэф- 15 фициент жесткости. Диссипативная характеристика во многих прецизионных системах является нелинейной и заранее неизвестна. Поэтому наиболее трудной задачей является синтез пре- Щ цизионных механизмов, например измерительные приборы, узлы механиз мов и т.д.,по диссипативным характеристикам. Таким образом, общее уравнение при синтезе может быть 25 выражено @ Kg()»9(),Я" () =МЯ> (2) где h „ ф 1(4) — неизвестная, зависящая от конструкции, диссипативная характеристика роторного механизма, где и индекс постоянного коэффициента характеристики и степень нелинейности соответственно;

h j(4- 1 — синтезируемая диссипативная характерис- 4О тикар коэффициент демпфирования; и с — время з апаздывания в контуре автомати- 45 эированкзго синтеза.

Синтез диссипативной характеристики ))q(t) производится общеизвестными методами, т.е. в блоке 11 моделирования формируется сигнал, пропор-. 5() циональный скорости крутильных колебаний, которая получается при дифФеренцировании блоком 24 выходного сигнала датчика крутильных колебаний. Блок параметрической оптимизации по сигналу реакции системы, поступающему от крутильного динамометра 9, которую вызывают воздействием сигналом с выхода блока ll моделирования через усилитель мощности н управляемай ограничитель на 60 обмотку 8 возбудителя 3 крутильных колебаний, синтезирует сигнал, оптимальный по заданному критерию переходного процесса, пропорциональный

„ коэффициенту демпфирования h 65

Крутящий момент возбудитель крутильных колебаний создает по сигналу, пропорциональному величине h q(tl поступающему в обмотку 8. Из-за наличия динамической системы возбудителя, состоящей из якоря б, жестко закрепленного на валу и через пру:жины 7 к корпусу 4,этот момент будет передаваться с некоторой Фазой, отличающейся от сигнала h q ((,), которая оценивается временем запаздывания . Это отражается в уравнении (2) .

Для обеспечения устойчивости при вышеизложенном автоматизированном синтезе большого класса роторных систем, представляемых приближенным уравнением (2), сигналы с выхода крутильного динамометра и блока дифференцирования поступают на фазометр,на выходе которого получается сигнал, пропорциональный разности фаз между опорным сигналом с блока дифференцирования 2.4 и сигналом с крутильного динамометра. Этот сигнал пропорционален величине времени запаэдыи вания . Также сигнал с выхода датчика 10,, пропорциональный моментной величине крутильных колебаний, поступает на частотомер 21, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный круговой частоте крутильных колебаний, и на блок запоминания экстремальных значений 22, работающий по принципу аналогового запоминающего устройства, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный амплитуде крутильных колебаний. Сигнал с выхода блока дифференцирования поступает на вход вычислительного блока, работающего по принципу устройства для определения постоянных коэффициентов диссипативных и потенциальных характеристик, т.е. сравнение сигнала с датчика 10 с известными нелинейными функциями, на выходах которого получаются сигналы, пропорциональные h, по уравнению (2), где — номер выхода блока 23, а также степень диссипативной характеристики, идентифицированной с помощью блока 23 ;.интезируемого роторного механизма 2.

Анализом нелинейной системы вида (2) найдено, что неустойчивой система становится при

hcos i g" )

> о((3) () n(n-11... I n- — 1) )

2 когда и -нечетное число, и когда и четное число, т.е. и 2,4,6, ...; (4 к+ () — а (,) c (4 g < 3) — (4 )

2 где n=1,2,3,... й, — амплитуда колебаний;

4J- круговая частота колебаний.

822221

Когда и=(уравнение неустойчивости преобразуется в havoc „

>((5)

h„ где д =1. с

Поэтому при появлении сигнала на 5 любом четном выходе блока 23, значит

n — четное число (2), они поступают в входы элемента ИЛИ 25, а через него на вход ключа 26 и открывает его.

При этом сигнал с выхода умножителя 10

18, на котором образуется сигнал, пропорциональный произведению с по сигналам, поступающим с блоков 17 и

21,поступает через ключ 26 на.вход порогового элемента 27 с границей 15 л нечувствительности «/2 . Когда сигнал пропорциональный ода 7 /2 (k= О,так как практически (a i больше 5 «/2 не наблюдается, хотя элемент в общем случае может иметь несколько зон 20 нечувствительности), на выходе порогового элемента появляется сигнал, который через элемент ИЛИ 34 действует на управляющий вход управляемого ограничителя и ограничивает дальнейшее увеличение сигнала, поступающего с выхода блока моделирования в обмотку возбудителя 3, тем самым изменяет параметр kl При появлении сигнала на i-том нечетном входе бло( ка 23 работает канал 28 устройства.

Сигнал при этом с выхода блока 23 по.ступает на блок умножения 29 через коэффициент 1 (-, в котором он умножается с сигналом посту3S

I 0 пающим с выхода частотомера через блок возведения его в (-1) степени.

На выходе блока умножения получается сигнал, пропорциональный знаменателю дроби левой части уравнения. Сигнал 40 с выхода блока 29„ поступает на вход блока деления 30„, на вход делимого которого поступает сигнал с выхода умножителя 20, пропорциональный произведению h соь ы7, формируемый по 45 входному сигналу блока 14 непосредственно, а также блока 18 через функциональный преобразователь 19, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный соь од с . Сигнал с выхода блока деления через aeqoaoA коэффициент, численно равный 2 (+ ) l, поступает на один вход блока сравнения 31„ на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 33, через блок возведения в (— 1) степени, пропорциональный амплитуде крутильных колебаний, возведенной в (j""

1) степени. При удовлетворении неравенства по уравнению (3) блок сравнения срабатывает и на выходе появля- . 60 ется сигнал, который,как и с элемента

27, через элемент ИЛЙ 34 воздействует на управляемый ограничитель 16.

Таким образом, автоматизированный синтез будет проводиться в области 65 параметров системы, обеспечивающих условия устойчивости.

В более общем случае, если синтез роторной системы нужно провести когда

/ ротор имеет и постоянную составляющую скорость вращения, в качестве возбудителя крутильных колебаний можно без особых изменений работы устройства применить другие типы возбудителей крутильных колебаний, создающих момент вращения ротора.

Указанное исполнение устройства позволяет провести автоматизированный синтез широкого класса нелинейных

Роторных колебательных систем, обеспечивая защиту системы от появления неустойчивых колебаний, во многих случаях приводящих к разрушению системы. Выходные сигналы блока 34 также могут быть применены для преждевременной сигнализации о приближении к границе неустойчивости. Устройство обладает большой универсальностью, так как может быть применено основой для синтеза более широкого класса систем, как с неизвестной потенциальной характеристикой и т.д.

Устройство служит полному автоматизированию проектирования и научного эксперимента прецизионных колебательных механических систем, применяя аналоговые и аналого †цифров вычислительные машины.

ФОРмула изобретения

Устройство для моделирования роторны х си стем, содержащее воз будит ель крутильных колебаний, прикрепленный через крутильный динамометр к валу роторного механизма, выход которого соединен со входом блока параметрической оптимизации, выход которого соединен с первым входом умножителя, выход которого через последовательно включенные операционный усилитель и усилитель мощности соединен с первым входом управляемого ограничителя, выход которого соединен со входом возбудителя крутильных колебаний, и закрепленный на валу роторного механизма датчик крутильных колебаний, выход которого соединен со входом блока дифференцирования, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности моделирования, в устройство введены фазометр, первый и второй дополнительные умножители, функциональный преобразователь, частотомер, блок запоминания экстремальных значений, первый и второй элементы ИЛИ, ключ, пороговый элемент, вычислительный блок и m каналов управления, каждый из которых состоит из первого и второго блоков возведения в степень, умножителя, делителя. и блока сравнения, причем выход датчика крутильных колебаний соединен

822221 со входом частотомера и входом блока запоминания экстремальных значений, выход частотомера соединен со входами первых блоков возведения в степень каналов управления, в каждом из которых выход первого блока возведения в степень соединен с первым входом умножителя, выход которого соединен с первым входом делителя своего канала, выход которого связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго блока возведения в степень, а выходы блоков сравнения всех каналов управления соединены соответственно со входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом управляемого ограничителя, выход блока дифференцирования соединен со вторым входом умножителя, связанным с первым входом фаэометра и входом вычислительного блока, нечетные выходы которого подключены соответственно ко вторым входам умножителей каналов управления, а четные выходы вычислительного блока соединены соответственнО со входами второго элемента ИЛИ, выход которого через последовательно соединенные ключ и пороговый элемент связан с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом фазометра, выход которого соединен с первым входом первого дополнительного умножителя, второй вход которого подключен к выходу частотомера, вы» ход дополнительного умножителя соединен с управляющим входом ключа и через функциональный преобразователь связан с первым входом второго дополнительного умножителя, выход которого соединен со. вторыми входами делителей всех каналов управления, причем выход блока запоминания экстремаль15 ных значений соединен со входами вторых блоков возведения в степень всех каналов управления, а выход блока параметрической оптимизации соединен со входом второго дополни;щ тельного умножителя.

Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 417771, кл. Q 05 В 23/02, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9,2466543/18-24, кл. G 06 G 7/66, 1977 (прототип) °

822221

Составитель И.Лебедев

Редактор М.Недолуженко Техред М.Голинка Корректор:Q.Вилак

Закав 1858/76 Тираж 745 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал tlIIG Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4