Устройство управления случайными вибрациями

,ЯО 4 2 4 С 01 М 7/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛЬСТ Н АВТОРСКОМУ С с Ф СФ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Кори Г,;и Кори Т. Справочникпо математике для научных работникови инженеров. М,ф Наука, 1978, Изд,4-е, с, 606,Патент США У 3848115,кл. С 01 М 29/00, 1974.(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СЛУЧАЙНЫМИВИБРАЦИЯМИ 1(57) Изобретение относится к автоматическому регулированию и управлениюв частности к системам управленияэкспериментальными установками, предназначено для испытаний различныхконструкций, приборов и машин наэлектродинамическом вибрационном стенде полигармонической и случайной вибрацией, С целью повышения точности испытаний за счет устранения амп ; литудной модуляции формируемого вибросигнала в систему управления случайными вибрациями, содержащую вибрационную аппаратуру 1 с закрепленным на ней изделием, аналого-цифровой преобразователь 4, процессор 5 и компаратор 6 спектральной плотности мощности, блок 12 хранения эталонных значений спектральной плотности мощ" ности, генератор 13 случайного сигнала, умножитель 7, преобразователь 8 из частотной области во временную, формирователь 9 случайной функции, формирователь 11 временных интервалов, цифроаналоговый преобразователь 14, дополнительно введены управляемый аттенюатор 14 и генератор 15 демодулнрующих функций, а в формирователь 11 введен компаратор, анализирующий на равенство нулю. 1 з.п. ф-лы, 5 ип.Изобретение относится к автоматическому регулированию и управлению,в частности к системам управленияэкспериментальными установками, предназначено для испытаний различныхконструкций, приборов и машин наэлектродинамическом вибрационномстенде полигармонической и случайнойвибрацией. 10Цель изобретения - повышение точ,:ности испытаний за счет устранения.:вибросигнала.На фиг.1 представлена структурнаясхема системы управления случайнымивибрациями; на фиг.2 " пример реализации блока наложения окон, на ФИг,Зпример реализации генератора демодулирующих функций; на фиг,4 - примерреализации цифрового аттенюатора; нафиг.5 - графическая диаграмма формирования выходного сигнала из короткихпериодических реализаций,Система управления случайными вибрациями (фиг,1) содержит последовательно соединенные вибрационную аппаратуру 1 с закрепленным на ней изделием 2, вибродатчик 3, аналого-цифровой преобразователь 4, процессор 5спектральной плотности мощности компаратор 6 спектральной плотностимощности, умножитель 7, преобразова"тель 8 сигнала из частотной областиво временную, формирователь 9 случай"най функции цифроаналоговый преоб 35разователь 10 с коммутатором, формирователь 11 временных интерваловблок 12 хранения эталонных значенийпектральной плотности мощности, ге 40нератор 13 случайного сигнала, управляемый аттенюатор 14 и генератор 15демодулирующих функций,формирователь 11 (фиг,2) содержиткоммутатор 16, первый 1/ и второй 1845блоки памяти, первый 19 и второй 20блоки формирования амплитуды, сумматор 21, генератор 22 Функций и ком-,паратор 23,Генератор 15 демодулирующих Функций(фиг,З) содержит счетчик 24и блок 25 памяти,Недостатком известного устройства является амплитудная модуляция генерируемого случайного сигнала. Временная реализация формируется в Фор-мирователе 11 из коротких реализаций, причем в качестве короткой реализации могут быть использованы как единст а зп(- в "-+(а.) где и 0 0-1И 1.пУ В1=ОО где п=И,2 М И А где п=В/2, М 2 2 О,Х,20-1 -+И,2 Н,Б А- Н де п=И,2 И1О, где п=О,Игд номер га номер отлизации; число га аждую из моники.; чета врем нной реармоник,функций нно Хзнним функции(фиг.5 в),а кл адыв аемга первого(Фиг.5 а),окно (например ок порядка).Получае В (фиг.5 б), С венная выборка, поступающая с выходапреобразования 8 из частотной областиво временную, так и реализации, получаемые иэ одной выборки преобразования 8 из частотной области во временную путем придания ей случайной фазыв формирователе 9, Непосредственнаястыковка коротких реализаций с вероятностью, стремящейся к единице, приводит к разрывам первого рода генерируемой фуйкции и всех ее производных,Для устранения этого недостатка применяют операцию наложения окон. Данная операция (это функция формирователя 11) заключается в том, что двекороткие реализации умножают на окно(например; на функцию синуса), сдвигают их друг относительно друга.наполовину отсчетов и суммируют(фиг,5)Однако, в этом случае происходят искажения из-за возникновения амплитудной модуляции.П р и м е р.фРасамотрим первыйслучай, когда на вход формирователя11 поступает выборка из преобразователя 8 из частотной области во временную.ф В этом случае происходит соп"ряжение отдельных реализаций, представляющих собой периодический сиг"нал, Допустим, что период И, такогосигнала в кратное число раз меньшепериода И выборки, т.е, Н = Е Кгде- целое число. Для упрощениядоказательства примем И 2 Б ,Пусть даны три одинаковых короткихреализации А,В, С, причем Всдвинута относительно А на половинуотсчетов а С - на целый период:э(3)1Сигнал Ри, генерируемый на выходеустройства 11 наложения окон, можетбыть представлен отрезком реализациис И И. И2 21А+В, где ею%2 М В+С, где п=ИФИ+И 2-1. 15После подстановки получимелАв 1 пр+Ав 1.п(-п-),гдеп=И/2,И игк-и:К25 Рд Рб=РсПосле наложения окна получаем модулированные функциие И. где п=И,И+2 Предположим, что период функций равенИ/2, т,е. А=А к . ТогдаИ2 А вп(-и - -)сов- где п=- И и И 4 4 В 2 В40 45 При достаточно большом И активнаямощность за период приблизительноравна удвоенной активной мощностиза полпериода:50 к-2 кг-Р=- Хг- Хг1-н кг-Р = -Хг вхпгК-Хг вью Ы-ИЕ . Иийои О 55процесс Ои на отрезке р; И+2.- 1 равен: л.и2 А вп(-и - -) где п=И/2 И И 4932 А вг.п(-и -- ) где п=И И+И/2-14 В В т,е. получаем выходной процесс, модулируемый функцией синуса (фиге 5 г, линия 1). Полная мощность такого сигналаравна к-км М-кг-ю Аг+ / Аг 81 п ит И 2. иИ ЕИи: Ю и=ййТаким образом, получаем постоян, ную составляющую мощности и составляющую, модулированную синусом удвоенной частоты. Рассмотрим теперь второй случай, когда на .вход формирователя 11 подаютСя с выхода формирователя 9 случайные реализации А, В, С, распределенные по нормальному закону; 11иа вгп( -- -+ца ) где и О И ИВ В ч1иЬ вдп( в в -+1,)И ЬИ ЮО где п=О -- 12 В 2Явисв 1 п(- - +д . )с " И С; В=о Предположим, что их полные активныемощности равны: иС = С вдп - п.и иТогда их активные мощности станут. Полная активная мощность равна12 .Й, Такйм образом, получаем постоян:ную составляющую мощности и ее слу.чайную составляющую, модулированную, ;как и для периодического сигнала синусом удвоенной частоты.Следовательно, для устранения модуляции генерируемого случайного или полигармонического сигнала, сформированный из коротких реалиэацйй с помощью наложения окон сигнал необходимо умножать на демодулирующую функ" цию, вид которой однозначно определяется Функцией окна, Так, для приведенного выще частного случая с окном И Хэннинга первого порядка каждые -2 отсчетов выходного сигнала необходимо перемножать с функцией вида 1/(42/ /ехи(-и+-) ), и=0, И/2-1(фиг.5, ли" ния 2),Система работает следующим обра,зом.Сигнал, генерируемый вибрационной аппаратурой 1, возбуждает в закрепленном на ней изделии 2 виброколебания, преобразуемые вибродатчиком 3 в электрический сигнал, поступающий на вход аналого-цифрового греобраэователя 4, Преобразованный с помощью преобразователя 4 в цифровую Форму сигнал поступает в процессор 5 спектральной плотности мощности, где происходит преобразование сигнала из временной области представления в частотную с помощью; например, алгоритма быстрого преобразования фурье; вычисляется спектральная плотность мощности сигнала, снимаемого с иэде" лия, Вычисленная спектральная плотность мощности сравнивается в компа 25 30 35 40 раторе 6 с эталонным значением, пост " тупающим из блока 12 хранения эталонных значений спектральной плотностимощности. Результат сравнения перемножается в умножителе 7 со случайным сигналом, генерируемым генератором13 случайного сигнала. Результат ум"ножения преобразуется во временнуюобласть представления в преобразователе 8 из частотной области во временную, спомощью, например, алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье.При проведении испытаний на поли- гармоническую вибрацию короткая реализация, получаемая на выходе преобразователя 8, паступает в формирователь, где из этой короткой реализации формируется посредством наложения окон непрерывный сигнал.В случае проведения испытаний на случайную вибрацию короткая реализация с выхода преобразователя 8 поступает в формирователь 9, где иэ одной короткой реализации формируется множество реализаций путем придания исходной реализации случайной фазы.Сформированные реализации поступают в формирователь 11, где с помощью окон происходит сопряжение этих коротких реализаций в непрерывный случайный сигнал, В этом случае выход формирователя 9 рандомизации отклю-. чается от цифроаналогового преобразователя 10,Сформированный в формирователе 11 полигармонический или случайный сигнал преобразуется с помощью цифроаналогового преобразователя 10 в аналоговую форму и .поступает на информационный вход управляемого аттенюатора 14, на управляющий вход которого поступает из генератора 15 демодулирующих функций функция, изменяющая коэффициент передачи аттенюатора 14 таким образом, чтобы устранить амплитудную модуляцию сформированного сигнала, Сигнал с выхода аттенюатора 15 управляет вибрационной аппаратурой 1; Периодически преобразователь 8 подает скорректированную выборкуинформации, которая заменяет ранее хранившуюся в формирователе реализацию, и позволяет генерировать скорректированные серии управляющих вы 5 борок формирователя 9 в сл 1 чае испытаний на случайную вибрацию или же формировать полигармонический сигнал из новой единственной короткой реализации в случае испытаний на полигармоническую вибрацию.В случае реализации формирователя 11, как показано на фиг,2, выборка либо с выхода преобразователя 8, либо с выхЬда формирователя 9 (фиг.1) 15 через коммутатор 16 записывается в первый 17 и второй 18 блоки памяти, Информация с выхода блока 17 памяти поступает в блок 19 формирования амплитуды, а с выхода блока 18 памяти - в блок 20 Формирования амплитуды, Амплитудой сигналов, поступивших в блоки 19 и 20, управляет генератор 23 функций, генерирующий функцию, определяемую видом накладываемого окна. Для рассмотренного выше примера с окном Хэннинга первого порядка модулирующая функция будет иметьв д 81 л Ип =0 ИПричем в блоки 30 19 и 20 формирования амплитуды модулирующие функции с первого и второго выходов генератора 23 функций поступают с разными фазами (в рассматриваемом примере на второй вход блока 20 поступает функция, сдвинутая поофазе на 90 относительно функции, поступающей на второй вход блока 19). Блоки 19 и 20 могут быть умножителями, которые перемножают сигнал из 40 блоков 17 и 18 памяти на сигнал из генератора 23 функций.Функции, полученные в результате умножения в блоках 19 и 20, определяются соответственно выражением (1) 45 и (2) для начального момента времени и поступают соответственно на первыйи второй входы сумматора 22, где,они .суммируются, образуя непрерывный сигнал, как показано на фиг.5.Синхронизация работы формирователя 11 осуществляется тактовыми сигналами, поступающими на его.синхровход 11. На выходе .компаратора 24 появляется сигнал в случае перехода модули рующей функции через ноль на первом выходе генератора 23 функции, Этим сигналом, поступающим на второй выход формирователя 11, происходит пер, -воначальная установка генератора 15демодулирующих функпий (фиг,1) длясинхронизации его работы с работойформирователя 11,Работа Формирователя 11 (Фиг.2)поясняется графической диаграммой,приведенной на Фиг.5. Сигналы, показанные на фиг 5, представлены в аналоговой форме, а то время как формирователь 11 оперирует с цифровой информацией,Управляющий сигнал, генерируемыйформирователем 11, формируется иэодной выборки, поступающей из преобразователя 8 (фиг,1) или из сериивыборок, полученных из формирователя 9, На фиг5 показан первый случайкогда управляющий сигнал Формируется из серии выборок, полученныхпутем многократного повторения единственной выборки с периодом М, причем каждая последующая выборка сдвинута на полпериода относительно предыдущей, Для сглаживания стыков между выборками каждую выборку перемножают с функцией (например, функциясинуса), поступающей из генератора23 Функций (Фиг,2), получая огибающую (линия 3), показанную на фиг.5.Затем серия выборок складываетсяпо описанному правилу, образуя выходной,сигнал (фиг,5, линия 1).При использовайии окна Хэннингапервого порядка модулирующая выходнойИсигнал функция на отрезке - И+- - 12 ф 2будет иметь вид, показанный на фиг,5(линия 2),Аналогично формируется управляющий сигнал - в случае поступлениясерии выборок иэ формирователя 9(фиг.1).Амплитуда модулированного выходного сигнала, поступающего в аттенюатор 14 с выхода цифроаналоговогопреобразователя 10 (фиг,1), изменяется под управлением генератора 15 демодулирующих функций таким образом,чтобы устранить амплитудную модуляцию, Тем самым повышается точностьформирования вибросигнала, а,следовательно, и точность испытаний.формула изобретения1. Устройство управления случайными вибрациями, содержащее аналогово-цифровой преобразователь, процессфр спектральной плотности мощности, кФмпаратор спектральной плотности мощности, умножитель, преобразователь снгнала из частотной области во вре 5 мФнную, формирователь случайной фнкции, цифроаналоговый преобразователь, формирователь временных интервалов, блок хранения эталонных значен спектральной плотности мощности, г нератор случайного сигнала, информ ционный вход аналого-цифрового пре, разователя соединен с измерительным водом устройства, выход аналоговифрового преобразователя соединен Ф информационным входом процессора спектральной плотности мощности, выод которого соединен с первым входом омпаратора спектральной плотности Мощности, второй вход которого соеди- о йен с выходом блока хранения эталоных значений спектральной плотностииощности, а выход соединен с первымФхадом умножителя, второй вход кото" рого соединен с выходом генератора случайного сигнала, выход умножителя соединен с входом преобразователя сигнала иэ частотной области во временную, выход которого, соединен спервыми входами формирователя случайной функции и формирователя временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом формирователя случайной функции и информационным входам цифроаналогового преобразователя, тактирующий вход которого сое- -5 динен с первым выходомформирователя временных интервалов, о т л и ч а ю - щ е 6 с я тем, что, с целью повышения точности испытаний за счет устранения амплитудной модуляции формируе мого вибросигнала, в устройство введены управляемый аттенюатор и гене ,ратор демодулирующих функций, первыйи второй входы которого соединены свторым и третьим выходами формирователя временных интервалов, выход генератора демодулирующих функций соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора, информационныйвход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, авыход цифрового аттенюатора соединенс выходом управляющего воздействияустройства. 2. Устройство по п,.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что формирователь временных интервалов содержит первый и .второй блоки памяти, первый и второй блоки формирования амплитудь:., сумматор, генератор функций, коммутатор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами формирователя, а выход соединен с информационными входами первого и второго блоков памяти, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков формирования амплитуды, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым выходом форми" рователя, синхровход которого соединен с третьим выходом формирователя и с тактовыми выходами первого и второго блоков памяти и генератора функций, первый выход которого соединен с вторым выходом первого блока формирования амплитуды, а второй выход - с вторым входом второго блока формирования амплитуды, компаратор, вход которого. соединен с первым выходом генератора функций, а выход соединен с вторым выходом формирователя,( Составитель В. Куленкамледактор И,Сегляник Техред М.Ходанич Корректор Л,Патай В Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгор Гагарина,1 каэ 663/38 Тираж 788 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5