Устройство для полунатурного моделированиямеханических колебательных систем

Срез СоиетсиикСоциаиистическмкРесиубиии ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 840963), . 066 7/4 Эеударавипай кеиктвт СССР аа делам нзебретенвХ и вткрытяХ(23) Приорнт бликов у ано 23.06.81. Бюллетень М 2 ата опубликования описания 23.06.6 З) УДК 683, 32) Автор изобретенн И, .Ю. Скуча аунасский политехническ им. Антанаса Снеч 71) Заявнтел стит УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХКОЙЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Изобретение относится к автоматизации научных исследований механических колебателыьи систем и может быть применено для автоматизированного синтеза сложных нелинейных систем с негэлономными связями, применяя аналоговые и аналого-цифровые вычислительные маш иныеИзвестно. устройство для полунатурного моделирования, позволяющее провести полунатурное моделирование механических колебательных систем с обыкновенными механическими связями, содержащее опервдионные усилители, блок дифференпнров ния 1. о известное устройство о. моделирования не позвлить полунатурное моделирование ических колебательных систем с номными связями, так как они не системы, имитирующей неголономвязи, т.е, неинтегрируемые соотнс между скоростями пар связи. полунаволяет осу Однакног мехнегол м е Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для полунатурного моделирования,содержащее машину с валом, возбудителькрутильных колебаний, прикрепленныйк валу через крутильный динамометрдатчик крутильных колебаний вала, последовательно соединенные блок моделированисодержащий последовательно соединенныедва блока интегрирования, причем к первэ Ому входу первого иэ которых подключенего же выход, а к второму - выход датчика крутильных колебаний через блок а-дифференцирования, а к третьему - выход 5источника постоянного напряжения, и сумматор, к второму входу которого подклеен второй выход источника постоянного напряжены, а к третьему - третийчерез блок интегрирования, к второмувходу которого подключен выход крутильного динамомет 11 а, а к третьему - егоже выход, и блок моделирования обратнойпередаточной функции, выход которогочерез послецорательно соединенные сум10 печения полунатурного моделирования систем с неголономными связями.Указанная цель достигается тем, что в устройство для полунатурного моделирования механических колебательных сис;- тем, содержащее возбудитель крутильных колебаний, связанный через вал с исследуемой системой, крутильный динамометр, датчик крутильных колебаний, блок дифференцирования, сумматор, усилитель мощности, блок моделирования обратной передаточной функции и блок моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, содержащий интеграторы, источник постоянного напряжения и сумматор, причем выход датчика крутильных колебаний соединен через блок дифференцирования с первым входом первого интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и под ключен ко входу второго интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которо го соединен с первым входом сумматора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, второй вход которого подключен к первому выходу источника опорного напряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционног механизма, второй выход которого соединен с третьим входом первого интегратора блока моделирования электрод,вигатела и фрикционного механизма, а третий выход источника опорноГо напряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма соединен с первым входом третьего интегратора блока моделирсаания электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен к третьему входу сумматора блокамоделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с первым входом блока моделирования обратной передаточной функции, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через усили 15 20 25 30 35 40о45 50 55 3 84 матор, второй вход которого соединен с выходом крутильного динамометра, и усилитель мощности соединен с входом возбудителя крутильных колебаний 2.Однако известное устройство также не имеет системы, обеспечивающей возможность полунатурного моделирования механических колебательных систем с неголономными связями.Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей эа счет обестель мощности соединен со входом возбудителя крутильных колебаний, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом сумматора и с третьим входом третьего интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а второй вход блока моделирования обратной передаточной функции подключен к выходу датчикакрутильных колебаний, дополнительно введен блок усреднения, вход которого подключен к выходу датчика крутильных колебаний, а выход соединен с третьим входом сумматора.Кроме того, блок моделирования обратной передаточной функции содержит узел дифференцирования, делители, сумматоры и источник опорного напряжения, причем вход узла дифференцирования и первый вход первого сумматора объединены и являются первым входом блока, выход узла дифференцирования соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого делителя, выход которого соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого является вторым входом блока, выход второго делителя соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, второй вход сумматора подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход первого делителя является выходом блока.На чертеже изображено устройство и поясняется принцип его работы. Устройство содержит вал 4. машины, 2, возбудитель 3 крутильных колебаний с неподвижным корпусом 4, жестко соединенным с постоянным электромаг- нитом 5, с якорем 6, жестко закрепленным на валу Х и через пружины 7 - к корпусу 4, и обмотками 8, расположенными якоре 6, крутильный динамометр 9, закрепленный на валу 1 между машиной 2 и возбудителем 3, датчик 3.0 крутильных колебаний, закрепленный на валу 3., блок 11 дифференцирования, блок 12моделирования электродвигателя и фрикционного механизма содержит последова;. тельно соединенные интеграторы 13 и 14, причем первый вход интегратора 13 соединен с его выходом, второй - с выходом датчика ХО крутильных колебаний через блок 1.1 дифференцирования, третийс выходом источника 3.5 постоянного ргапряжения, с сумматором 16, первый вход которого соединен с выходом интег15 где тС 4 О 45 50 5 840 ратора 14, второй - с вторым выходом источника 15, атретий- стретьим выходом источника 15 через интегратор 17, второй вход которого соединен с выходом крутильного динамометра 9, а третий - с его же выходом, блок 18 моделирования обратной передаточной функции - с последовательно соединенным узлом 19 дифференцирования, вход которого соединен с выходом сумматора 16 блока 12 моделирования, сумматором 20, второй вход которого соединен с тем же выходом сумматора 16, и делителем 21, второй вход, т.е. вход делителя, которого соединен с выходом сумматора 22, первый вход которого соединен с выходом источника 23 постоянного напряжения, а втс- рой - с выходом датчика 10 крутильных колебаний через второй делитель 24, второй вход, т.е. вход делителя которого соединен с выходом первого делителя 21, сумматор 25, первый вход которого соединен с выходом делителя 21 блока 18, второй - с выходом крутильного динамометра 9, третий в .с выходом датчи- ка 10 крутильных колебаний через блок 26 усреднения, усилитель мощности, через который выход сумматора 25 соединен с обмоткой 8 возбудителя 3.Устройство работает следующим образом.Реальной в системе является машина 2, а моделируемой часть, т.е. частью, которую необходимо синтезировать, является асинхронный электродвигатель и фрикционный механизм, через который передается момент вращения к валу 1 машины 2, и которым осуществляется неголономная связь. Такая система является обобщенной системе по уравнениям Чаплыгина 1,2, 3). Моделированию подвергаются электродвигатель и фрикционный механизм с целью подбора их оптимальных параметров или даже их функционального синтеза, что и позволяет метод полунатурного моделирования (1), а реальной остается машина 1, так как она может иметь сложную структуру и обычно трудйо поддается формализации дифференциальными уравнениями.Таким образом, с помощью блока 12 моделирования решаются дифференциальные уравнения асинхронного электродвигателя и фрикционного механизма, с помощью блока 18 обратной передаточной функции, сумматора 25, усилителя 27, создающими сигнал, поступающий в возбудитель 3 крутильных колебаний, обеспечивается такая моментная угловая ско 963 6рость, передаваемая валу 1 машины 2, которая точно соответствует моментным значениям сигнала на выходе блока 12 моделирования, т.е. обеспечивающая неголономную связь между электродвигателем 5и машиной.Выше сказанное происходит следующим образом. Дифференциальным уравнением асинхронного электродвигателя является уравнение вида: ЗЮ = - ЬР - М,1 ) где Э - момент инерции подвижной части двигатели;фд - координата вращениядвигателя;М - вращательный моментдвигателя; о М - момент сопротивлениядвигателю со стороным ашины;Ь - коэффициент вязкоготрения.фрикционный механизм, передающийвращение валу 1 машины 2, выполненв виде фрикционных дисков, сила прижатиякоторых создается электромагнитом иизменяется от нуля до величины, обеспечивающей требуемое сложение дисков,а тем самым обеспечивающей требуемуюугловую скорость вала машины. Поэтомудифференциальное уравнение фрикционногомеханизма имеет вид35- приведенная масса; - жесткость пружинящейчасти фрикционных дисков; - жесткость пружинящейчасти плоского стыка; - коэффициент вязкого трения;- величина начального зазора между дисками;к О - МР - сила, создаваемая электро 14магнитом р зависящая от отклонения между задаваемой величиной угловой скорости пропорциональной О и действительной скорости вала машины ФТекущая (действительная) скорость вала 1 машины 2 измеряется с помощью датчика 10 крутильных колебаний. Сигнал с выхода датчика 10 поступает в блок 11 дифференцирования, на выходе которого сигнал пропорциональный скорости63ь,фь 201 де С- соотношение жесткости пружинвозбудителя 3 с моментамиинерции подвижной части возбудителя;25К - соотношение демпфированиядвижению с моментом инерции.то упомянутая передаточная функция возбудигеля крутильных колебаний имеетвид+ СР9 а (Ф,х)Р(р) 78409угловых колебаний вала 1. Сигнал с выхода блока 1 1 поступает на вход цепочки, состоящей из двух интеграторов 13 ии 14, с помощью которых известнымобразом решается уравнение (2), причемвеличина КО задается напряжение мс выхода источника 15 постоянного напряжения. Таким образом, сигнал нв выходеинтегратора 14 является пропорциональным координате Х перемещения фрикционных дисков. Сигнал с выхода крутильного динамометра 9, пропорциональныймоменту, действующему между подвижнойчастью возбудителя крутильных колебаний,задающего необходимую скорость вращения 15валу 1 (он же (момент) является равныммоменту сопротивления моменту врацвниядвигателя) поступает на вход интегратора 17, с помощью которого известнымобразом решается уравнение (1).Сигнал, пропорциональный моменту М,поступает с второго выхода источникапостоянного напряжения 1 5. Таким образом, сигнал нв выходе интегратора 17пропорциональный угловой скорости асинхронного двигателя,Уравнение неголономной связи (2 )фд м - х(З)зогде Ы, - максимальное значениее Юх - "значени х при РАРмрешается с помощью сумматора 16, навходы которого поступают сигналы с блока 17 - пропорциональный Рд, с интегра-З 5тора 14 - пропорциональный Х, черезкоэффициент, равный Ю /Х, а такжес источника 15 постоянного напряженияпропорционального со, . На выходесумматора 16, таким образом, сигнал 40пропорциональный значению Р , т.е.тому значению скорости колебаний вала,которую должен обеспечить моделируемыйасинхронный двигатель и фрикционныймеханизм с заданными параметрами, чтобы обеспечивалась целостность системы,несмотря, что она разделена на реальнуюи моделируемую части.Чтобы обеспечить скорость колебанийвала 1 с такуюр какая задается сигналом 50с выхода сумматора 16, сигнал с выходаблока 16 поступает на вход блока 18обратной передаточной функции.Передаточная функция по скоростивозбудители крутильных колебаний выражается следующим образом; 8- выходное угловое перемещение, скорость возбудителя крутильных колебаний;Е - сигнал, поступающий навход возбудителя колебаний;р - оператор дифференцирования.Если в простейшем случае учитываются только основные конструктивные параметры возбудителя в заданной частотнойобласти, т.е. момент инерции, жесткость и демпфирование подвижной части Блоком 8 осуществляется следующаяпередаточная функция так квк сигнал с выхода блока моделиро-, вания Рпоступает на вход узла 19 дифференцирования и. на его выходе появляется сигнал, пропорциональный величине РФ . На входы сумматора 20 поступают сигналы с выходов блоков 16 через коэффициент К: и на его выходе появляется сигнал, пропорциональный величине РР + КФ. Сигнал с выхода сумматора 20 поступает на вход делителя 21, на вход делителя которого поступает сигнал с выхода сумматора 22, пропорциональный величине 1-С фЭ так как нв его первый вход поступает сит- цел из блока постоянного напряжения пропорциональный 1, а на другой - сигнал Фс выхода делителя 24 пропорциональный -ь через коэффициент 04, так как нввыходы делителя 24 поступают сигналы с выхода датчика 10 крутильных колеба( 84096 ний, который равен фактическому положению подвижной части возбудителя крутильных колебаний, и с выхода делителя 2 Х, который является выходным сигналом блока 8 обратной передаточной функции.Поэтому передаточная функция выходного сигнала блока моделирования и выходного значения моментной скорости возбудителя крутильных колебаний по уравнениям (7) и 8) имеет вид1 О 1Ф 1 х 1 , Р+1(Ч)Р Р К СРрследовательно5 т.е. моментные значения скорости перемещения возбудителя крутильных колеба 2 Оний равны моментным значениям сигналас выхода блока моделирования.В тех случаях, когана полунатурноемоделирование проводится в широкихпределах частотной области в функциях(5 и (6) могут быть учтены и членыболее высокого порядка, но принцип работы устройства от этогу не изменяется.Для того, чтобы нагрузка возбудителякрутильных колебаний не имела влияния(1) на точность выполнения условия (10),сигнал с выхода крутильного динамометра9 через сумматор 25 и усилитель 27подается на вход возбудителя. Так каквозбудитель 3 крутильных колебаний35обеспечивает требуемую моментную скорость вала Х при любых его положениях,то подвижная часть возбудителя становится без фиксированного среднего положения и отклонение от него из-за погрешностей работы всего устройства можетпривести в нелинейную область работывозбудителя или даже его поломки. Поэтому на вход сумматора 25 поступаетсигнал с датчика крутильных колебанийчерез блок 26 усреднения. На выходеобщеизвестного блока усреднения сигнал является положительным или отрицательным в зависимости от отклонениясреднего положения Вала 1, а тем самыми подвижной части возбудителя от нулевого положения. Знаки сигнала на выходе блока усреднения подбираются такими, что каждое отклонение положения возбудителякрутильных колебаний от среднего положения вызвал дополнительный момент,возвращающий в это положение,Выше изложен принцип работы устроиства, когда постоянные составляюи;ие оуглового перемещения системы вала 1не учитываются, т.е. считается что онине имеют значения на синтезируемыепараметры асинхронного двигателя ифрикционного механизма, что практическиподтверждается, Изменение параметров в блоке моделирования может быть осуществлено вручную или автоматически.Указанное исполнение устройства позволяет провести полунатурное моделирование систем. с неголономными связями,получить оптимальные параметры системы, обеспечивающей эти связи. Это расширяет область применения метода полунатурного моделирования, обеспечивающего автоматизированные исследования сложных механических систем, а также оптимальный автоматический синтез, позволяет исследовать и применять более сложные механические колебательные системы с неголономными связями, а также создавать различные модели таких связей. Чисто-аналитические методы расчета таких систем сильно сужаются из-ва их сложности. Техническая реализация устройства не представляет никаких трудностей. Устройство успешно примененодля полунатурного моделирования вибродвигателей, работающих на основе высокочастотных колебаний, различными образами взаимодействующие пьезокерамические элементы, в которых образуют неголономные связи.Формула изобретения1. Устройство для полунатурного моде пирования механических колебательных систем, содержащее возбудитель кру.- . тильных колебаний, связанный через вал с исследуемой системой, крутильный динамометр, датчик крутильных колебаний, блок дифференцирования, сумматор, усилитель мощности, блок моделирования обратной передаточной функции и блок моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, содержащий интеграторы, источник постоянного напряжения и сумматор, причем выход датчика крутильных колебаний соединен через блок дифференцирования с первым входом первого интегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен ко входу второго интегратора блока моделированияэлектродвигателя и фрикционного меха 11 8409 низма, выход которого соединен с первым входом сумматора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, второй вход которого подключен к первому выходу источника опорного на 5 пряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, второй выход которого соединен с третьим входом первого цнтегратора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, а третий выход источника опорного напряжения блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма соединен с первым входом третьего интегратора блока моделирования электро двигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с его вторым входом и подключен к третьему входу сум-, .матора блока моделирования электродвигателя и фрикционного механизма, выход которого соединен с первым входом блока моделирования обратной передаточной функции, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через усилитель мощности соединен со- гз входом возбудителя крутильных колебаний, выход крутильного динамометра соединен со вторым входом сумматораи с третьим входом третьего интегратораблока моделирования электродвигателя зО и фрикционного механизма, а второй вход блока моделирования обратной передаточной функции подключен к выходудатчика крутильных колебаний, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 35 расширения функциональных возможностей за.счет обеспечения моделирования сис 63 12тем с неголономными связями, в него дополнительно введен блок усреднения, вход которого подключен к выходу датчика крутильных колебаний, а выход соединен с третьим входом сумматора.2. Устройствопоп. 1, отличающ е е с я тем что блок моделирования обратной передаточной функции содержит узел дифференцирования, делители, сумматоры и источник опорного напряжения, причем вход узла дифференцирования и первый вход первого сумматора объединены и являются первым входом блока, выход узла дифференцирования соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого делителя, выход которого соединен с первым входом второго делителя, второй вход которого является вторым входом блока, выход второго делителя соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого делителя, второйвход сумматора подключен к выходуисточника опорного напряжения, а выходпервого делителя является выходом блока.. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе3 Авторское свидетельство СССРпо заявке Мо 2417735/18-24,кл. б 06 3 7/48, 1978.2. Левицкий Д. Н. Динамика механизмов с йеголономными связями. Автореф.на соиск. учен. степени к-та техн.наук. Алма-Ата, 1978 (прототип).Составитель ИТехред НЯелуш ебедев. Лазаре 4770/7 8 И 1303 иал ППП Патент, г Проектная,Тираж 748 ПодиГосударственного комитета СССРло делам изобретений и открытий