Устройство для определения динамических характеристик колебательных систем

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву(22) Заявлено 25, 10.78 (2! )2677858/18-24 (ii)930269 (51)М. Кд.

Q 05 В 23/02 с присоединением заявки М

Всударстввииый комитет

СССР вв делам иэебретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23.05.82. Бюллетень М 19

Дата опубликования описания 27.05.82 (53) УДК 62.50 (088.8) Б. И. Минцерис (72) Автор изобретения

1

1 (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Изобретение относится к автоматике, в частности к анализаторам динамических характеристик, и может найти применение при вибрсяспытаниях и исследованиях нелинейных колебательных систем.

Известны устройства для опсе деления

S динамических характеристик, позволяющие определять амплитуду и фазу.сигналов (Ц.

Однако использование в этих устройствах коммутирующих элементов с механи1О ческими контактами снижает их надеж1 ность и возможность автоматизации из1 мерени O.

Известно устройство, в котором использованы гармснические опорные сиг15 палы, что прецопределяет использование в качестве перемножителей гармонических синхронных цетекторов, которые являются сложными электронными узлами, в отличие от репейных синхронных детекторов (электронных ключей). Простое конструктивное выполнение электронных ключей позволяет построить опорный сигнал, rmскре тно изменяющийся во времени 2 1.

Однако это устройство позволяет nptiводить плавный анализ динамических характеристик в диапазоне частот.

Известны и более сложные устройства для анализа динамических характеристик с применением в качестве опорного cat нала-функций Уолша (3 ).

Однако устройства характеризуются сложностью настройки и.изготовления (3).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности явлются устройство цля определения динамических характеристик колебательных систем, содержащее фаэоврашатеи, последовательно соециненные первый измерительный преобразователь, первый ключ и первый интегратор, и послецовательно соединен- ные второй измерительный преобразователь, второй ключ и второй интегратор, выходы первого и второго интеграторов подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного блока, apyt 0N выход первого измерительного преобразователя связан с входом иссле5

35 ходу первого инвертора, а первый вход второго коньюнктора — к выходу первого инвертора, выходу фазовращателя, третье40 му входу вычислительного блока, второй

1 вход первого коньюнктора поцсоецинен к выходу третьего инвертора и первому входу третьего коньюнктора, а второй вхоц второго коньюнктора - к входу третьего инвертора и первому входу четвертого коньюнктора, второй вход которого связан с четвертым вхоцом вычислительного блока, входом фазоврашателя и входом второго инвертора, выход которого подключен к второму входу третьего коньюнктора, выход которого и выхоц четвертого коньюнктора соединены с соответствующими входами второго цизьюнктора, выход которого связан с управляющими входами первого и второго ключей, а выходы третьего и четвертого интеграторов связаны соответственно с пятым и шестым входами вычислительного блока.

3 930 дуемой колебательной системы, выход которой соединен с входом второго измерительного преобразователя.

В этом устройстве опорные сигналы формируются с помощью фот оголовок, Сдвиг фаз между сигналами произведен сдвинутыми на ИР друг от друга фотоголовками. К выходам фотоголовок подключены формирователи импульсов, формирующие прямоугольные опорные сигналы типа меандр, выходы обоих формирователей подключены к другим входам электронных ключей, а к выходам ключей подсоединены интеграторы (4 .

Это устройство характеризуется низкой точностью измерения прямоугольных проекций исследуемого сигнала, а значит и вообще низкой точностью динамических измерений . Если исследуемый сигнал представить в виде Х= Е Х„-юп(1Ш +М;), то проекции запишутся в виде 4 sin Ч, и „cos 4 — это при анализе первой гармоники; при анализе второй X s1n Ч и Х о cos Y и т.д. Если такие сигналы (<<8 h".1 и М соэ Vg) измерены точно, то не представляют сложности подучить из них другие динамические параметры

X„и Ч 1, напримере реализуя ..в вычислительно-регистрирующем устройстве алгоритм х,р1п Y„s1n аф+)(Äcos „со ми =

X„COS (Ь)ОЬ +9„) ) где сигналы Sin оо t. и соево - это сиг налы с фиксированными частотами. По правой части уравнения измеряют Х 1 и, т.е. определяют динамические параметры в виде амплитуды и фазы (величины и места неуравновешенности).

Прямоугольные проекции измеряются следующим образом.

Исследуемый сигнал, получаемый от измерительного преобразователя, перемножают в электронных ключах с опорными сигналами - прямоугольными симметричными импульсами (типа меандр"). Точность получения фракций таким путем невеюыка. Действительно, в таком опорном сигнале содержатся нечетные гармоники (2n-l), а коэффициенты при гармо1 никах пропорциональны, . Постояно.П-1 ная составляющая сигнала (пссле инте ратороь) пропорциональна произведению и

0011)(.Сова . и так как, полезную

= 1(Ь-11 информацию несет одна Iàðìîíèêà, напРимер первая - Uq„Ê„сов Ч„, то величина п

L 1 U c0B

Е on i j препстввпяег собой погрешность измерения этой проекции. Аналогично образуется погрешность при формировании второй прямоугольной проекции, которая получается при перемножения опорного сигнала, сцвинутого на 90о, на исследуемый сигнал. Измерение прямоугольных проекций, таким образом, осуществляется с погрешностью, Кроме того, в известных устройствах невозможно проводить плавный послецовательный анализ, так как невозможна перестройка частоты опорного сигнала.

Hemü изобретения — повышение точности устройства.

Эта цель цостигается тем, что устройство содержит генератор фиксированных частот, генератор переменных частот, четыре коньюнктора, три инвертора, первый цизьюнктор, третий и четвертый ключи, третий и .четвертый интеграторы, последовательно соединенные второй цизьюнктор, пятый интегратор и возбудитель входного воздействия, выход которого связан с входом первого измерительного преобразователя, причем входы первого и второго ключей соединены соответст,венно с входами третьего и четвертого ключей, выходы которых соединены с входами соответственно третьего и четвертого интеграторов, а управляющие вхоцыс выходом первого дизьюнктора, соответствующие входы которого соединены с выходами первого и второго конъюкторов, первый.вход первого коньюнктора поцключен к вы930269

На фиг. 1 приведена блок-схема ycr ройства; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов. ъ

Устройство содержит возбудитель 1 вхоцного возцействия, измерительный пре- 5 образоватеж 2, исследуемую колебательную систему 3, измерительный преобразователь 4, интегратор 5, ключи 6-9, интеграторы 10-13, вычислительный блок

14, генератор 15 фиксированной частоты, инвертор 16, коньюнктор 17, цизьюнктор

18, генератор 19 переменной частоты, инвертор 20, коньюнктор(схема И) 21, фазовращатель 22 (на 90 ), инвертор

23,коньюнкторы 24 и 25, дизьюнктор (схема ИЛИ) 26.

Устройство работает следуюшим образом.

Генератор 15 (фиг. 1) формирует последовательность прямоугольных импульсов 20 (типа меанцр ) фиксированной частоты ю (фиг. 2а), а генератор 19 - такую же последовательность импульсов переменной частоты и) (фиг. 2в), обе эти последовательности импульсов поступают 25 на входыконьюнктора 17, на выходе которого образуется сигнал, показанный на фиг. 2 и. Выхоцные сигналы генераторов

15 и 19 инвертируются в инверторах 16 и 20 (фиг. 2б и г), после чего поступа- 50 ют на коньюнктор 2 1, который образует последовательность импульсов (фиг.2 е) .

Последовательности импульсов (фиг.2 ц и е) объединяются в дизьюнкторе 18, образуя сигнал (фиг.2ж). Аналогичным обРазом образуются сигналы в канале фазо» фращатель 22, инвертор 23, коньюнкторы

24 и 25 и дизьюнктор 26, только HB вы» ходе цизьюнктора 26 образуются сигал аналогичный изображенному на фиг. 2ж, но сдвинутому относительно него на чет верть периоца (на 90о). Нетрудно заметить, что сигнал (фиг. 2 ж) в дискретной форме выражает собой аналоговый сигнал с формой равнобедренной трапеции (этот

45 сигнал изображен на фиг. 2ж сплошной линией) По аналогии на выходе цизьюнктора 26 в дискретной форме закодирован аналоговый сигнал в форме равнобедренной трапеции, но сдвинутый на 90". Такой аналоговый сигнал с частотой Я получает50 ется на выходе интегратора 5 и подается на вход возбуцителя 1 входного возцействия (это может быть электроцинамический, электрогицравлический, электромаг»нитный, пневматический и т,д. вибратор), в котором электрический сигнал преобразуется в сигнал входного воздействия (механическое, гидравлическое, пневматическое усилия), Этот возбужцающий сиг нал вводится в исследуемую систему (объект) 3 через измерительный rrpeo6разователь 2 усилия,(цля примера ука жем вибратор, создающий механическое усилие, которое вводится в обьект через упругий элемент, который служит преобрезователем усилия электрический сигнал с него макет быть получен, например, тензоцатчиками, наклеенными на стенки упругого элемента, могут быть использованы преобразователи и другого типа к принципа действия). Сигнал возбуждения . в общем вице имеет виц

Ъ . F= Е t=-„. 1, ß1+ׄj ..

i=1

Высшие гармоники могут образовываться либо вследствии принципа действия вибратора, либо вследствии, нелинейности вибратор- объект. Реакция обьекта - )(=P, )(„. п(Я + g,), В перемножцтелях= электронных ключах

6-9 происходит умножение сигнала силы и реакции на опорные сигналы вида (фиг. 2ж), сдвинутого на 90 . Заметим, что частота этих опорных сигналов явля ется низкой и изменяющейся при измена нии частоты генератора 19 переменной частоты. Опорные сигналы относятся к классу сигналов с широтно-имщчюьсной моцуляцией (ШИМ). Здесь модуляция осуществляется с к акой частотой по закону равнобедренной трапеции. Главный информационный си гнал, переносимый

ШИМ»сигналом (т.е. заложенный. в законе изменения его цлительности) - это сигнал, аналоговым выражением которого является сигнал с формой равнобедренной трапеции. Такой сигнал имеет также нечетные гармоники, однако коэффициенты при гармониках пропорциональны

Мп(6л-1% г . %*

Таким образом, после интегрирования в интеграторах 10-13 произведения car налов на выходах перемножителейэлектронных ключей 6,7,8 и 9 образуются сигналы соответственно номерам ключей ключ 6:Я „,"Йо,„р„твмФ 4гв— ",„Ыц Fü ЧФ sin54

У А 000РБЮ Ч$ ключ 7:

5in4 .. 4 - 8 ПИ оп а 1 р оп ъ

ОО„Р МПЧ вЂ” — 0 Р ДпЦ w

Фее.

"Ч"on а "S """"Ъ ..., ОЭ0 269 ипоч 8:

/k < g g . y I 910 Зс(ц

001 " 1 q On Ъ

»а 5d.

Оп 1591 1

5 ключ 9:

91М 1 91П М

1ll on 1 " 3qO Х COSV + — — 00пХ соЭМф

sin Ы

0 Х5сов М5 -.I которые поступают на входы вычислительно-регистрирующего блока 14.. Итак, ре гистраци я о дн ой из прямоугопьн ых про» екций сигнала реакции, например, при- наличии лишь З-й гармоники, осуществля, ется с погрешностью - О< Х СОэ

1 sin 3d, B известном устройстве также при на-20 личии лишь третьей гармоники погреш-ность равна - опХ сов Ч, т.е. точнссть описанного устройства в этом слу1 доем)(y сов Ч чае выше в ,„, - — XPBB. — „ )0„1 СЫЧ - ""

В цепом цпя любых гармоник точность выше во столько раз, во сколько раз коэффициент при гармонике в опорном сигна- З0 пе меньше. В общем виде точность выше в () раз, где и - номер гарй. 91П ЯП-1)С моники.

Для получения более низких частот возбуждения необхоцимо приближать частоту генератора 19 переменной частоты к частоте генератора 15 фиксированной частоты. Тогда, как показывает анализ, 40 опорные сигналы.. образуются с широтноимпульсной модуляцией по закону, приближающемуся к треугольному, и точность предложенного устройства выше в П рвз,, где n - номер гармоники, что меньше, чем было указано выше.

Таким образом, на вхоц вычислитель но-регистрирующего блока поступают четыре информационных сигнала. Еез учета погрешностей они будут иметь вид выражений, приблизительно пропорци ональ50 ных F ôп Ч„,T„CoS Щ„, E„sinЧ „,Х1сов4 ..

В, вычислительном блоке реализуются следующие известные алгоритмы (сигиалы9 пюо и coS @% псступают от генератора 15 и фазовращателя 22)

Р sin „в м FÄcosl,сов <=

=F1 @OS ЖО ФЧ„) 8

Ю„»n о Х„со М„сОэ оо =

=X coo (и)„4i Ч „), т.е. это позволяет регистрировать спедующие характеристики в функции частоты возцействия: амппитуцно-частотную»

X„=Ê4),ñèëî-частотную - Г„((Я); фазочастотную- Ч,,- Ф, =ЦЯ). Таким образом могут быть записаны цинамические характеристики силы и реакции пюбого обьекта.

В предлагаемом устройстве повышена точность измерения, так как основная часть анализатора выполнена на логических элементах, ключевой режим работы которых обеспечивает стабильность характеристик при эксплуатации в широком температурном диапазоне и, кроме того, без усложнения(и вообще изменения) схем электронных ключей (перемножителей) повышена точность перемножения иэ-за определенным образом сформированного опорного сигнала, т.е. сохранена простота конструкции при значительном увеличении точности.

Ф ормула изобретения

Устройство для определения динамических характеристик колебательных систем, содержащее фазовращвтель, последовательно соединенные первый измерительный преобразователь, первый ключ и первый интегратор и послецоватепьно соединенные второй измерительный преобразователь, второй ключ и второй интегратор, выходы первого и второго интеграторов подключены соответственно к первому и второму вхоцам вычислительного блока, другой выход первого измерительного преобразователя связан с входом исследуемой колебательной системы, выход которой соединен с входом второго измерительного преобразователя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит генератор фиксированных частот, генератор переменных частот, четыре коньюнктора, три инвертора, первый ци- ° зъюнктор, третий и четвертый ключи, третий и четвертый интеграторы, последовательно соединенные второй дизьюнктор, пятый интегратор и возбудитель входного возцействия, выход которого связан с входом первого измерительного преобразователя, причем входы первого и второ.го ключей соединены соответственно с входами третьего и четвертого ключей, 930269 выходы которых соединены с входами соответственно третьего и четвертого ицтеграторов, а управляющие входы — с выходом первого дизьюнктора, соответствующие входы которого соединены с выходами первого и второго кскьюнкторов, первый вход первого коньюнктора подключен к выходу первого инвертора, а первый вход второго конъюнктора — к выходу первого, инвертора, выходу фазовращателя, тре- )0 тьему входу. вычислительного блока, второй вход первого коньюнктора- подсоединен к выходу третьего инвертоpа и первому входу третьего коньюнктора, а второй вход второго коньюнктора — к входу третьего инвертора и первому входу четвертого коньюнктора, второй вход которого связан с четвертым входом вычислительного блока, входом фазовращателя и входом второго инвертора, выход кото- о

1ого подКлючен к второму входу третьего коньюнктора, выход которого и выход четвертого коньюнктора соепйнены с соответствующими входами второго дн эьюнктора, выход которого связан с уп» равляющими входами дервого и второго ключей, а выходы третьего и четвертеl го интеграторов связаны соответств мв. но с пятым и шестым входами вычисли тельного блока.

Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 561147, кл. G 01 R 25/00, 1978, 2. Авторское свидетеж ство СССР

N 590624, кл. Cj 01 М 1/22, 1976.

3. Авторское свидетежство СССР

N 572718; кл. G 01 Я 23/16, 1975.

4. Авторское свидетельство СССР

М 222710, кл. g 01 М 1 22, 1965 (прот оти п) .

930269

Составитель В. Васильев

Редактор Н. Лазаренко Техред E.Õàðèòoí÷èê Корректор С. Шекмар

Заказ 3470/63 Тираж 908 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская. наб., д, 4/5

Филиал ППП «Патент«, г. Ужгород, ул. Проектная, 4