Система для моделирования широкополосныхслучайных вибропроцессов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТРСКОМУ СВИ ИТИЛЬСТВУ Союз Сфветскнк Сфцналнстнчесннз Реслублнк(22) Заявлено 10. 07.78(21) 2640163/18-24с присоединением заявки ИФ -(1)м р 3 6 06 Г 15/20 Государственнмй комитет СССР но делам изобретений и открытий(71) Заявител 54) СИСТЕМА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХСЛУЧАЙНЫХ ВИБРОПРОЦЕССОВ3 ализуется наКроме того,фильтрации пнизкочастотныцессы 2) .Однако впаратура, снижтребуемогообратной сдержание оплотности искретных элемента пользование цифров воляет получать ин случайные вибропр 5 же время подобная ап т точность заданиятра ввиду отсутствияосуществляющей подленной спектральнойсти на выходе систеспе вязи пред мощн ияШСВ 2 у е 25 системе управлерменированных О Изобретение относится к вычисли тельной технике и может быть испол зовано в качестве специализированной цифровой аппаратуры для воспро ведения случайных вибраций при исследовании надежности с помощью ви ростендов.Известна аппаратура управлен вибрационными установками СУВУСУВУ-ШСВи ПУВУ-ШСВ 1 .Однако она отличается громоздкостью структуры, Для реализации подобных систем управления внбрационными установками необходимы бо щие аппаратурные затраты. Увеличен стабильности основных характеристи СУВУ-ШСВ, СУВУ-ШСВи ПУВУ ШСВ достигается за счет существенных конструктивных улучшений отдельных узлов аппаратуры. Наиболее существенным недостатком является невозможность построения подобных систем для генерирования инфранизкочастотных широкополосных случайных вибропроцессов ввиду реализации их на аналоговых элементах.Известна аппаратура, построенна на базе нерекурсивного цифрового фильтра, отличающаяся стабильность основных характеристик, так как ре Наиболее близкой по.технической сущности к изобретению является система для моделирования широкополосных случайных вибропроцессов, содержащая преобразователь аналог-код, процессор для преобразования из частотной области во временную, схему сравнения, блок эталонных значений, множительное устройство, генератор псевдослучайных чисел процессор для преобразования из временной области в частотную, блок рандомизации блок сглаживания, преобразователь код-аналог, а также вибростенд с исследуемым объектом и вибродатчиком. 3.Использование вия вибрациями детеалгоритмов преобразования информации из частотной области во временную не позволяет получать истиннослучайный вибропроцесс а также является сложным.Цель изобретения - упрощение сис 5темы.Для достижения поставленной целив систему для моделирования широкополосных случайных вибропроцессов,содержащую генератор псевдослучайныхчисел и последовательно соединенныецифроаналоговый преобразователь,источник вибраций и аналого-цифровой преобразователь, к первому ивторому входам блока сравнения подключены выходы блока эталонных значений и преобразователь время-частота,введены коррелометр, блок коррекциикоэффициента, оперативное запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр, генератор равновероят- Щной двоичной цифры и коммутатор, причем блок сравнения, блок коррекциикоэффициентов, оперативное запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательноа выход генератора псевдослучайныхчисел подключен к первым входам коммутатора и коррелометра, второйвход коммутатора подключен квыходу генератора равновероятной двоичной цифры, а выходкоммутатора подключен к управляющему входу цифрового нерекурсивногофильтра, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым вхо- З 5дом коррелометра, выход которого соединен со входом преобразователя время-частота.Введение дополнительных блокови новых связей обеспечивает сокращение времени настройки аппаратуры иувеличение длительности реализациивыходного вибропроцесса.На чертеже приведена блок-схемасистемы.45Система содержит источник 1 вибрации, аналого-цифровой преобразователь2, коррелометр 3, преобразователь 4,время-частота, блок 5 сравнения,блок б эталонных значений, генератор7 равновероятной двоичной цифры,блок 8 коррекции коэффициентов,оперативное запоминающее устройство9, цифровой нерекурсивный фильтр10, коммутатор 11, генератор 12 псевдослучайных чисел и цифроаналоговыйпреобразователь 13, причем источник1 вибраций, аналого-цифровой преобразователь 2, коррелометр 3, преобразователь 4 время-частота, блок 5сравнения, блок 8 коррекции коэффи- ЬОциентов, оперативное запоминающееустройство 9, цифровой нерекурсивныйфильтр 10, цифроаналоговый преобразователь 13 и источник 1 вибрацийсоединены последовательно, кроме то Я го, выход генератора 12 псевдослучайных чисел подключен ко входу коррелометра 3 и входу коммутатора 11, а выход коммутатора 11 подключен ко входу цифрового фильтра 10, кроме того, ко вторым входам коммутатора 11 и схемы 5 сравнения подключены выходы генератора 7 равновероятной двоичной цифры и блока б эталонных значений.Источник 1 вибраций предназначен для преобразователя электрического сигнала в механическое воздействие на исследуемый объект. Аналого-цифровой преобразователь 2 служит цля преобразования электрических сиг- налов, поступающих от вибродатчика ,из аналоговой Формы в цифровую. Цифроаналоговый преобразователь 13 осуществляет обратную процедуру, т.е. преобразует цифровые коды в аналоговую форму. Для вычисления оценок спектральной плотности мощности служит преобразователь 4. Его структурную реализацию целесообразнее всего строить с использованием быстрого преобразования Фурье по одному из известных алгоритмов. На схеме 5 сравнения происходит определение вектора рассогласования спектральной плотности мощности.на. выходе блока 4 с эталонными значениями 5(Ы). Генератор 12 псевдослучайных чисел и генератор 7 равно- вероятной двоичной цифры предназначены для генерирования равновероятной псевдослучайной и случайной цифры, соответственно. Причем х(п)8 1, -11 есть последовательность некоррелированных отсчетов входного процесса для цифрового не- рекурсивного фильтра 10, Коммутатор 11 и оперативное запоминающее устройство 9 используются в предложенной системе по своему прямому назначению. Выходные значения цифрового нерекурсивного фильтра получаются путем свертки входных значений х(п) с весомыми коэффициентами фильтра п(а) на основании выражения (1)Е(п) = Е Ь( ) х (и-).оЗначение коэффициентов фильтра п(Ф) определяется видом требуемой спектральной плотностимощности (ю) и амплитудно-частотной характерис-, тикой системы вибростенд - исследуемый объект ы(ы)Коррелометр 3 служит для определения взаимокорреляционной функции между входным процессом, генерируемым генератором псевдослучайного белого шума 12, и выходным, т.е. для определения функции видаНх И) ф - х (и), у (и+ )(2)пвОгде х(п)-и-ый отсчет входного процесса, а у(п)-выходного. Учитывая, что весовая функция системы Н(Ф) цифровой фильтр " исследуемый объДалее подобным образом процедура коррекции весовых коэффициентов итерационно повторяется до тех пор, пока вектор рассогласования не ста-.нет нулевым, т.е., другими словами, полученная на выходе оценка спектра - ЬО А(у) выходного процесса у(и) с некоторой наперед заданной точностью рав: няется требуемой 5(И). Такой процесс настройки системы длится непродолжительное время, так как выбранный метод управления заведомо сходяект с вибростендом определяется в виде свертки весовых функций цифрового фильтра Ь(е) и исследуемого объ- екта с вибростендом д(щ) окончательно выражение для К,цприметвид:л"9 ЬО юфОх(и 1 Хь-+1М и:оВыра 1 кение 2 )показывает, что точность оценки взаимокорреляционной функции Н)(1:) в значительной степени зависит от количества выходных отсчетов у(и) случайного про-.цесса, т.е. от величины М. В случае использования в качестве входного случайнОго процесса белого шума реальное значение М приближается к 10-106, только в этом случае точность оценок взаимокорреляционной функции позволяет использовать их для управления весовыми коэффициентами цифрового фильтра.В режиме настройки системы на .заданный вид спектра в- качестве входного процесса используется псевдослучайная последовательность двоичных символов х(и) 61, -11, представляющих собой псевдослучайный белый шум. Генератор псевдослучайного белого шума построен по известной схеме с дополнением к генерируемой совокупности псевдослучайных кодов нулевой комбинации. Использование псевдослучайной последовательности позволяет получить точные оценки взаимокорреляционной функции по выражению (3) С целью уменьшения выборКи, т.е, величины М, повышение скорости опреде=. ления оценок 5 ф(я) в целом, разрядность генератора псевдослучайных чисел необходимо выбирать согласно вы. -ражения (4)11 о 92 И,где М - количество весовых коэффициентов нерекурсивного фильтра 10.Блок 8 коррекции коэффициентов предназначен для изменения коэффициентов цифрового фильтра на основании одного из известных алгоритмов управления с использованием вектора рассогласования, полученного на блоке 5 сравнения.Функционирование цифровой системы генерирования широкополосных случайных вибропроцессов происходит следующим образом. Для получения заданной спектральной плотности мощ" ности 5(С 0) определяется весовая функция (дискретная) нерекурсивного цифрового фильтра, состоящая, например, из М-отсчетов, значения кото рой заносятся в оперативную память 9 Коммутатор 11 подключает на вход цифрового Фильтра 10 генератор 12 псевдослучайных чисел, при этом выход блока 7 отключается от входа/ олока 10. Бначения белого шума, поступающие из блока 12, прохОдя через цифровой фильтр 101 сворачиваются с весовыми коэффициентами, находящимися в блоке 9. При этом, 5 выходной процесс 1(и) имеет спектральную плотность мощности 5(бз).Преобразуясь в блоке 13 в аналоговую форму, Е(и) поступает на источник 1, где преобразуется в механи ческие колебания, которые через вибродатчик. в аналоговой Форме поступают на аналого-цифровой преобразователь 2, на выходе которого получается дискретный процесс у(и). Известно, что вибростенд и исследуе мый объект имеют определенный видамплитудно-частотной характеристикия(и) Следовательно, спектральнаяплотность на выходе имеет вид А(д) =5(Ю)ю(яф,а не требуемый условия ми вд спектра, определяемый А(у),а .не 5(сд). Далее дискретные отсчетывыходного процесса у(и) поступаютна вход коррелометра 3, причем навторой вход которогопоступают значе ния белого шума х(и). Количествоотсчетов х и у(и) определяетсявеличиной 2; которая для реальныхзначений М=(100-500) равняется (100500), На выходе коррелометра 3 получаются значения,взаимокорреляционной функции К(") согласно выражения (3), которые поступают на входблока 4, Процессор 4 для преобразования из частотной области во времен.лную на основании значений Нполучает значения функции А(Ю), причем в процессе преобразования нетнеобходимости в усреднении выходногорезультата по нескольким (50-100)реализациям. На один вход блока 5 40 сравнения поступают значения А(Я)из 4, а на второй - значения требуемой спектральной плотнссти мощности 5(ц), хранимой в блоке бэталонных значений, В результате сра - 45 внения на выходе блока 5 получается вектор рассогласования спектраль".ной плотности мощности.В блоке 8 коррекции коэффициентовна основании, например, метода Нью тона с использованием вектора рассогласования спектральной плотностимощности и требуемой 5(У) происходиткоррекция коэффициентов Фильтров.О 15 ЗО 35 40 щийся (например, метод Ньютона). После окончания процесса настройки аппаратуры, т.е, переходного про цесса, наступает рабочий режим испытания иэделия, при этом на вход цифрового фильтра 10 подключается выход генератора равновероятностной двоичной цифры 11 и прекращается коррекция коэффициентов, т.е. отключается обратная связь.В предлагаемой системе настройка на нужный режим (требуемый 5(Я осуществляется на укороченном периоде Г ПС 4. Величина 1разрядность регистра сдвига с сумматором по модулю два в цепи обратной связи) выбирается минимальной по величине из выражения (4). Выборка выходных зна. чений, на основании которых оценивается спектральная плотность мощ-. ности, в этом случае будет состоять из (100- 500) компонент, что в 100- 1000 раз меньше,чем в известном. Отсюда можно заключить, что время настройки предлагаемой системы по меньшей мере сокращается в 100 раз.В рабочем режиме на вход цифрового фильтра поступают отсчеты дискретного белого шума от генератора равновероятностной двоичной цифры построенного на физических принципах. Последовательность х(п) в силу ее Физической природы не будет повторяться, поэтому и выходная последовательность Е(п) будет иметь неограниченную длительность реализаций, Использование генератора равновероятной двоичной цифры, кроме увеличения длительности реализации выходного вибропроцесса до бесконечности, максимально приближает природу выходного процесса к реальному истинно случайному вибропроцессу.В предлагаемой системе отсутствует процессор для преобразования из частотной области во временную, для реализации которого необходимы больше аппаратурные затраты, кроме того, в системе отсутствует еще ряд блоков, которые требуют значительных затрат на свою реализацию. На реализацию же вновь вводимых блоков необходимы незначительные затраты оборудования, Так, коррелометр 3 И циф- ровой Фильтр 10 реализуется на одном типовом элементе замены (ТЭЗ), так как их работы используется только операция сложения, в силу того,. что х(п)Я -1, 1. Общие затраты на новые блоки составят 3-4 ТЭЗа,Очевидно, .что по качественным показателям предлагаемая система значительно превосходит известную, а дополнительное оборудование составит незначительный объем.Поэтому конкретная реализация по- добного устройства позволит получить высокие технико-экономические показатели. Формула изобретения Система для моделирования широкополосных случайных вибропроцдсов содержащая генератор псевдослучайных чисел и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, ис-точник вибраций и аналого-цифровой преобразователь, кроме того, к первому и второму входам блока сравне-. .ния подключены выходы блока эталонных значений и преобразователь "время-частота", о т л и .ч а ю .щ а.я - с я тем, что, с целью упрощения системы, она содержит коррелометр, блок коррекции, коэффициентов, оперативное .запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный фильтр, генератор равновероятной двоичной цифры и коммутатор, причем блок сравнения, блок коррекции коэффициентов, оперативное запоминающее устройство, цифровой нерекурсивный Фильтр и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно, а выход генератора псевдослучайных чисел подключен к первым, входам коммутатора и коррелометра, второй вход коммутатора подключен к выходу генератора равновероятной двоичной цифры, а выход коммутатора подключен к управляющему входу. цифрового нерекурсивного фильтра, выход аналого-цифрового преобразо.,вателя соединен со вторым входом коррелометра, выход которого соединен со входом преобразователя "время- частота". Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Кузнецов А.А. Вибрационныеиспытания элементов и устройств автоматики. М., "Энергия". 1976,с. 94-107.2. Данилов Б.С. и Штейнбок М.Г.Однополосная передача цчфровых сигналов. М., "Связь", 1974. с. 56-59.3. Патент СШЛ Р 3848115,кл. С 01 й 29/00,(прототип.Составитель А. Карасовактор С. Лыжова Техред Ж.Кастелевич Корректор .Г.Решетник1 илиал ППП "Патент". г. Ужгород. ул. Проектная,0904/72 Тираж .756ВНИИПИ Государственногопо делам иэобретений113035, Москва ЖРа Подписноемитета СССРоткрытийокая наб. д. 4 5