Устройство для определения параметров нелинейных характеристик механических колебательных систем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК в 6 05 В 23/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Литовская ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия(56) 1. Авторское свидетельство СССР717725, кл. б 05 В 23/02, 1980.2. Авторское свидетельство СССР705423, кл. б 05 В 23/02, 1979.3. Авторское свидетельство СССР по заявке2631146/18-24, кл. б 05 В 23/02, 1981 (прототип).(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, содержащее переключатель, источник напряжений, пропорциональных смещению, скорости и ускорению установившегося колебательного,ЯО, 1109715 процесса, с выходами соответственно первым, вторым и третьим, сумматор, имеющий группу входов, соединенных с выходами группы блоков возведения в степень, а также одиночный вход, и соединенный с выходом сумматора и иди катор, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности устройства, оно дополнительно содержит блок для определения декремента затухания, частотомер и последовательно соединенные инвертор, узкополосный фильтр и второй индикатор, первый выход источника напряжений подключен к входу частотомера, а второй - к входам блока для определения декремента затухания и инвертора, причем переключатель выполнен двухпозиционным, имеющим четыре входа, соединенных с соответствующими выходами источника напряжений и выходом узкополосного фильтра, и два выхода, подключенных соответственно к входу блока возведения в степень и одиночному входу сумматора.Изобретение относится к испытательным приборам и может найти применение в приборостроении, при виброиспытаниях и исследовании нелинейных колебательных систем.Известно устройство для определения динамических характеристик колебательных систем, содержащее первый и второй источники напряжения, два инвертора, коммутатор с двумя выходами, формирователь импульсов, сумматор и два блока питания, атакже делитель частоты повторения импульсов, счетчик импульсов с несколькими выходами, вычислительный блок с двумя группами входов и несколько индикаторов, а блоки питания содержат ячейки селективной памяти 1.Недостаток устройства заключается в том, что с его помощью получаются только потенциальная и диссипативная характеристики системы, а возмущающий процесс 10 15 предполагается известным. Это устройство с успехом используется для исследования 0 нелинейных колебательных систем при помощи тестового воздействия. Однако применение его весьма ограничено при исследовании сложных систем с распределенными параметрами в натурных условиях, так как при таких обстоятельствах сигнал датчи ка возмущающего усилия лишь весьма приближенного соответствует эффективному возмущающему процессу или вообще не может быть определен непосредственно при помощи датчика. Кроме того, устройство отличается сложностью, что снижает не толь- З 0 ко его экономичность, но и фактическую точность определения характеристик.Известно также устройство аналогичного назначения, содержащее датчики смещения, скорости и ускорения, два блока нелинейной функции, переключатель, четыре сумматора, регулируемый резистор, генератор полигармонического сигнала и индикатор 2.Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью получаются 40 нелинейные составляющие характеристик в виде графиков, а не аналитических выражений, и в необработанном виде могут быть использованы лишь для визуальной оценки. Если же должны быть определены характеристики как составляющие части ма тематической модели идентифицируемой системы, подлежащей последующему аналитическому исследованию, то необходимо получить аналитические выражения характеристик. Поэтому график приходится аппроксимировать аналитическими выраже 50 ниями, что увеличивает затрату времени и труда, а также снижает точность получения аналитических выражений характеристик.Наиболее близким к предлагаемому по у технической сущности является устройство для определения динамических характеристик колебательных систем и возмущающих процессов, содержащее сумматор, один вход которого соединен с выходом датчика ускорения, другой вход - с выходом поли- гармонического генератора, выход - с первым выходом индикатора, второй вход которого через переключатель соединен с выходом датчика перемещения и датчика скорости, две группы блоков возведения в степень, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, входы блоков возведения в степень первой группы подключены к выходу датчика перемещения, а входы блоков возведения в степень второй группы - к выходу датчика скорости 3,Недостаток этого известного устройства заключается в том, что при его использовании, как показала практика, возникает проблема постоянной синхронизации симулирующего возмущающий процесс генератора с колебательным процессом, что заметно снижает практическую точность идентификации, а также усложняет и существенно ограничивает применение устройства.Цель изобретения - увеличение точности устройства,Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее переключатель, источник напряжений, пропорциональных смещению, скорости и ускорению установившегося колебательного процесса, с выходами соответственно первым, вторым и треть. им, сумматор, имеющий группу входов, соединенных с выходами группы блоков возведения в степень, а также одиночный вход, и соединенный с выходом сумматора индикатор, дополнительно введены блок для определения декремента затухания, частотометр и последовательно соединенные инвертор, узкополосный фильтр и второй индикатор, первый выход источника напряжений подключен к входу частотометра, а второй - к входам блока для определения декремента затухания и инвертора, причем переключатель выполнен двухпозиционным, имеющим четыре входа, соединенных с соответствующими выходами источника напряжений и выходом узкополосного фильтра, и два выхода, подключенных соответственно к входу блока возведения в степень и одиночному входу сумматора,На чертеже показана блок-схема устройства.Устройство содержит источник 1 напряжений, пропорциональных смещению, скорости и ускорению колебательного процесса с выходами 2 - 4, двухпозиционный переключатель 5, причем три его входа соединены с выходами 2 - 4 источника 1, группу 6 блоков возведения в степень, сумматор 7, имеющий группу входов, соединенных с выходами блоков группы 6, входы которых соединены с первым выходом переключателя 5, а также одиночный вход, соединенный с вторым выходом переключателя 5, первый индикатор 8, подключенный к выходусумматора 7, частотомер 9, подключенныйк выходу 2 источника 1, блок 10 для определения декремента затухания, подключенный к выходу 3 источника 1, соединенные последовательно и подключенные к тому же выходу 3 инвертор 11, узкополосныйфильтр 12 и второй индикатор 3, причемвыход фильтра 12 соединен с четвертымвходом переключателя 5,Работа устройства основана на отыскании математической модели исследуемойсистемы класса.гпх+й(х) +Р(х) +Еэ 1 пьд 1=0, (1)где х - колебательное смещение;В - параметр инерции;Р(х) -диссипативная характеристика;, Р(Х)-потенциальная характеристика;Е,Ф - амплитуда и частота эквивалентной возмущающей 20силы;- время.Устройство предусматривает разложение нелинейных характеристик й(х) и Р(х)в степенные ряды:К(х) =С х+С хз+25Р(х) =К,х+К х+Определению подлежат параметры т,с сз ", к к, Е,о .В случае установившихся резонансныхколебаний члены уравнения (1) по фазе З 0можно разделить на две пары. Первую парусоставляют инерционный и потенциальныйчлены, а вторую - диссипативный и возмущающий. Члены каждой пары междусобой противоположны по фазе. Их фазы,кроме того, отличаются от фаз соответствую-З 5щих членов другой пары на четверть периода. В связи с этим равна нулю не толькоалгебраическая сумма всех членов уравнения , но и сумма каждой пары членовв отдельности, т. е. справедливы равенствагпх+Р(х) =0; (2)40К(х) +Ез 1 пФ=О. (3)Путем деления уравнений (2) и (3) соответственно на параметры т и с получаютрабочие уравнениях+р(х) =0; (4)г (х) +а ыз 1 п М = О, (5)где р(х) =ф рЫ-относительная потенциальная характеристика;Г(х)= Й.(х) - относительная диссипативная характеристика;й - амплитуда колебания; 50с - эквивалентный коэффициент демфирования.Большинство реальных . механическихсистем сложной структуры имеет не одну,а несколько основных форм колебания (резонансов). Для таких систем следует произ. 55водить модальную идентификацию - строить математическую модель в виде рядане связанных между собой уравнений движения, соответствующих каждому резонансу (4). Однако помехой для нормальнойработы механизма является, как правило,только один резонанс, потому, что другиерезонансы либо не достигаются при рабочих режимах механизма, включая и возможные вариации этих режимов, либо слабы посравнению с основным и не представляютпрактического интереса. Поэтому практически обычно достаточно идентифицироватьсистему лишь в зоне основного для рабочего интервала изменения частоты резонанса, а для этого не нужно снимать всю ееамплитудно-частотную характеристику.Просто систему в рабочем режиме настраивают путем некоторого изменения неизвестной пока частоты возмугцения на резонансс контролем по величине амплитуды колебания, воспринимаемого вибродатчиком.После реализации установившихся резонансных колебаний системы частотомер 9показывает ее собственную частотуо .Эквивалентную массу находят путем определения собственной (резонансной) частоты системы и) при наличии добавочноймассы известной величины в по формулеп щР фДобавочную массу устанавливают в местекрепления датчика.Для определения эквивалентного коэффициента демфирования с ударом по совершающему периодические движения элементу системы в направлении колебания вызывают отклонение, несколько превышающее амплитуду установивщегося движенияпри данном уровне возмущения. За времяпоследующего переходного процесса блок1 О выдает значение декремента затуханияд; путем умножения которого на величины и 3 иполучают коэффициент с, так какс=И и О 27 с,но второй член подкоренного выраженияпочти не имеет практического значения.Даже при сильном затухании, когда за одинпериод амплитуда уменьшается вдвое, погрешность от такого "упрощения составляетвсего 0,6%. В качестве блока для определения декремента может быть использован,например, амплитудный селектор АС, состоящий из двух триггеров Шмитта, в комплекте с пересчетным устройством ф - 588.Амплитуду возмущающей силы находятпутем умножения коэффициента с на амплитуду выходного сигнала фильтра 12, отмечаемую индикатором 13, так как узкополосный фильтр 12 пропускает только основнуюгармонику конвертированной скорости колебательного движения,При первом (левом) положении переключателя 5 устройство работает в режимеопределения потенциальной характеристики.На выходе сумматора 7 получается и поступает на вход индикатора 8, например катодного осциллографа, сигнал, пропорциональный сумме обоих членов уравнения (4). Пер11097 5 Составитель В. Кравченко Редактор Е. Папи Техред И. Верес Корректор Г. Решетник Заказ 5647/32 Тираж 82 Подписное ВНИ И ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб д, 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4вый индикатор 8 производит развертку по времени поступающего на его вход сигнала, который в случае установившегося резонансного колебания системы должен быть нулевым, при условии, что группа 6 блоков возведения в степень обеспечивает достаточно точное в качественном и количественном отношении воссоздание функции р(х) = = - ф - х+к,/гп х+Поэтому производят настройку блоков группы 6 путем регуливания их коэффициентов пропорциональ ности, соответствующих коэффициентам к,/т, кз/гп, до тех пор, пока на экране индикатора будет получен нулевой сигнал. Затем умножением полученных коэффициентов на параметр получают потенциальную характеристику р(х) = =кх+кзх +Второе (чравое) положение переключателя 5 соотьетствует работе устройства в режиме определения демфирующей характеристики. На выходе сумматора 7 и на экране индикатора 8 получается сигнал, пропорциональный сумме обоих членов уравнения (5). Как и при работе устройства в предыдущем режиме, производят настройку блоков группы 6 путем регулирования их коэффициентов пропорциональности, соответствующих теперь коэффициентам с,/, сз/с. до тех пор, пока на экране осциллографа будет получен сигнал, практически равный нулевому, Наконец, умножением по лученных коэффициентов на эквивалентный коэффициент демфирования с получают диссипативную характеристикуЙ(х) =с,х+сзхз + Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность идентификации в тех случаях, когда нет возможности при помощи датчика достоверно определить действующее на систему возмущение, но, тем не менее, его частоту можно плавно изменять в известных пределах.