Регулятор для виброзащитного устройства

".."к АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ стит 984.Р985.ОГО1испо за рое н ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО.ИЖ)БРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт машиноведения им.А.А, Благонравова и Николаевский кораблестроительный ин ут им,адм, С.О. Макарова(56) Авторское свидетельство СССР У 652392, кл. Р 16 Р 15/03, 1979.Авторское свидетельство СССР 9 1269 106, кл . С 05 1) 13/02, 1Авторское свидетельство ССС Ф 1270755, кл . С 05 1) 19/02, 1 (54) РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ВИБРОЗА)ЦИТН УСТРОЙСТВА(57) Изобретение относится к области машиностроения и судостроения и может быть использовано в составе активных .виброзащитных систем, предназначенных для защиты человека, прецизионного оборудования и аппаратуры от вибрации машин и механизмов. Целью изобретения. является повышение точности и стабильности регулятора. Поставленная цель достигается за счет того, что измеряют величину силы, возбуж- . дающей колебания. Полученный сигнал усиливают и подают на исполнительный механизм, формирующий силу, компенсирующую колебания. Дополнительно изменяют величину суммы сил, возбуждаюретение относится к машиности судостроению и может быть щих и компенсирующих колебания, Полученные сигналы, пропорциональные компенсирующей и суммарной силам, фильт -руют в полосовых фильтрах и сравнивают в фазовом детекторе. Из результатасравнения выделяют низкочастотнуюсоставляющую, которую суммируют сопорным и результирующим сигналами.Меняют коэффициент усиления основного контура регулирования, Опорныйсигнал представляет собой периодический сигнал произвольной формы с частотой, меняющейся в заданных пределах по случайному или гармоническомузакону относительно заданного среднего значения, Периодическое и симметричное относительно оптимального значения, равного 1, изменение коэффициента усиления основного контура регулирования регулятора позволяет осуществить эффективную широкополоснуюкомпенсацию возбуждающей силы и одновременную фазовую манипуляцию сос -тавляющих нескомпенсированной силы,действуюЩей на защищаемый объект.Повьш 1 ение точности и стабильности регулятора, в свою очередь, увеличивает эффективность и надежность виброзащитного устройства. Целесообразность применения такого регуляторадля виброзащитного устройства воэрасет с увеличением электрических и механических помех, деиствующих в тивной виброзащитной системе. 2 ил вано в составе активныхых систем, предназначеннь3 150984для защиты от вибрации человека-оператора, прецизионного измерительногои технологического оборудования ит.д., а также для снижения вибрацииработающих машин и механизмов.Целью изобретения является повышение точности и стабильности регулятора,На фиг. 1 представлена структурная схема регулятора; на фиг. 2временные диаграммы, иллюстрирующиеего работу.Схема регулятора содержит канал 1виброкомпенсации, датчик 2 возбуждающей силы, защищаемый объект 3, виброизолятор 4, усилитель 5, вибровозбудитель 6, блок 7 управления, величиной коэффициента усиления усилителя 5, датчик 8,суммарной (т.е. нескомпенсированной) силы, блок 9 сравнения, первый 10 и второй 11 полосовые фильтры, Фильтр 12 низких частот,суммирующий усилитель 13, генератор14 опорного сигнала, магнитопровод 2515, жесткую проставку 16, упругиеэлементы 17 и 18, якорь 19, рабочуюобмотку 20,Кроме того,на фигурах обозначены:Г - сила, вызывающая вибрацию,30Г - возбуждающая сила, Екомпенсирующая сила, Ц; - выходнойсигнал г.-го блока регулятора,коэффициент усиления -го блока регулятора.35В качестве блЬка 9 сравнения в регуляторе может быть применен фазовыйдетектор .Палосовые фильтры 10 и 11 могутбыть выполнены следящими. 40Генератор 14 опорного сигнала выполнен так, что частота его выходного напряжения изменяется по периодическому или случайному закону относительно некоторого среднего значения.Регулятор работает следующим образом.При выключенном блоке 7 управлениявеличиной коэффициента усиления усилителя 5 (например, при отключенныхполосовых Фильтрах 10 и 11 от входовблока 9 сравнения) средний коэффициент усиления канала 1 виброкомпенсасрции Кю, определяемый как произведение коэффициентов передачи датчика 2возбуждающей силы, усилителя 5 (с регулируемым усилением) и вибровозбу)дителя 6, выбирается равным оптисЛ,мальному расчетному значениюКс Ф 1 4ОПтсК= 1При этом эффект компеносац и возбуждаопдх сил, действующих на защищаемый объект 3 со стороны виброизолятора 4, обычно велик (й 20 дБ) и определяется соответствием реальных коэффициентов передачи блоков канал 1 виброкомпенсации оптимальным расчетным значениям. Экспериментально коэффициент усиления канала 1 виброкомпенсации, близкий к оптимальному, может быть найден как среднее значение двух коэффициентов усиленияК 1, ( 1 иК 1, ) 1, при которых выходные напряжения полосового фильтра 11 равны и превышают уровень помех.Однако на практике виброзащитный эффект,.обеспечиваемый данным регулятором в рассмотренном режиме работы, оказывается нестабильным, т,е, виброзащитное устройство работает ненадежно. Объясняется это изменением во времени коэффициентов преобразования датчика возбуждающей силы 2 и вибровозбудителя 6. Обычно используемые в таких регуляторах в качестве датчиков пьезокерамические динамометры изменяют величину своей чувствительности из-за снижения уровня поляризации пьезоэлементов. А электромагнитные вибровозбудители, обладающие применительно к данному регулятору высокой надежностью, благодаря силовому взаимодействию через воздушные зазоры существенно изменяют величину развиваемых ими сил в транспортных условиях, в которых применение активных виброзащитных средств оказывается наиболее целесообразным из-за ограниченных возможностей пассивных виброизолирующих систем.Изменения коэффициентов преобразования датчика 2 возбуждающей силы и электромагнитного вибровозбудителя 6 происходят без искажений их амплитудно"и фазочастотных характеристик, поэтому в регуляторе для виброгасящего устройства (фиг, 1) они проявляются как:статические или квазистатические изменения коэффициента усиления канала виброкомпенсации 1, которые связаны с изменением эффективности В виброгасящего устройства в диапазоне вибрации следующим выражением: ДВ й 1 йш--- = (1-1 К5 15098где В - эффективчость виброгасящегоустройства, определяемая какотношение возбуждающей силыГ к суммарной силе (й+Г"),5действующей на защищаемыйобъект 3 при работающем регуляторе;- компенсирующая сила,аИз (1) видно, что влияние нестабильности коэффициента усиления Кна эффективность В виброзащитногоустройства возрастает с приближениемк режиму полной компенсации возбуждающей силы Г, т.е. при ) К 1. Этоопределяет необходимость стабилизациикоэффициента усиления канала 1 виброкомпенсации либо вблизи граничных .значений (соответствующих границахустойчивости электромеханической системы управления), либо вблизи оптимального значения К = -1, если ограничения на реализацию режима полнойкомпенсации возбуждающей силы Е отсутствуют. На практике этот режимвозможен при избирательном принципеформирования компенсирующей силы й,а также в широкополосных виброзащитных устройствах с существенным, болееоктавы, разделением собственных частот виброизолирующей системы и частотвозбуждающей силы Г, как это имеетместо в роторных механизмах. В пер. вом случае на входе усилителя 5 (срегулируемым усилением) устанавливаютнесколько параллельно включенных полосовых, обычно следящих, фильтров,а во втором - усилитель 5 представляет широкополосный усилитель с фильтром верхних частот, граничная часто.та которого "размещена" в диапазонемежду максимальной из собственныхчастот и минимальной частотой возбуждающей силы 2,Стабилизация коэффициента усиле 45ния канала 1 виброкомпенсации вблизиоптимального значенияК = 1 приметенением известного регулятора во многих случаях оказывается невозможнойизза наличия механических или элект 50рических помех с частотами, близкимиили равными частотам возбуждающейсилы Е, При этом выходной сигнал датчика 8 суммарной силы, кроме полезного сигнала, уменьшающегося с приближением коэффициента усиления К к 1,.551 осодержит составляющие с теми же илиблизкими частотами, которые не умень-,шаются в процессе управления. Это оз 41 6начает, что в некотором интервалеоптзначений К 1 содержащем К, = - 1,составляющие помех или наводок, например при гашении вибрации с частотой50 Гц, превьппают полезный сигнал,пропорциональный суммарной силе (Г ++ Е ), и известный регулятор оказывается неработоспособным.В связи с этим стабилизируемый коэффициент усиления К, канала 1 виб.ьрокомпенсации 1 приходится выбиратьсущественно меньше оптимального энаоп 7чения К = 1, например в пределах0,8-0,9, что соответствует эффективности виброгашения 15-20 дБ, котораяпри повьппенных требованиях к виброзащите оказывается недостаточной.При включенном блоке 7 управлениявеличиной коэффициента усиления усилителя 5 выходное напряжение генератора 14 опорного сигнала подается через суммирующий усилитель 13 на управляющий вход усилителя 5 (с регу- .лируемым,усилением)Это напряжение,которое в рассматриваемом ниже режиме работы регулятора имеет форму ме-андра, что не. является обязательным,изменяет коэффициент усиления К,то,усилителя 5 канала 1 виброкомпейсации на величину ЬК от среднегозначения, которое в силу изложенногоравно оптимальному коэффициенту усиления 1 К= 1 К"= Ъ (фиге 26),Величина "приращения" коэффициентаусиления Ь К, выбрана так, что винтервале его значений, определяемомнеравенством -1+ЬК ) К ) -1-К,на выходе датчика 8 суммарной силыобеспечивается необходимое для качественной работы регулятора соотношение полезного сигнала и помехи. Всвязи с применением в данном регуляторе фазового детектора в качествеблока сравнения это соотношение длявсех типов помех, кроме помехи с частотой возбуждающей силы, может бытьменьше 1, в то время как при использовании в качестве блока сравнениякомпаратора это соотношение должнобыть больше 1. Объясняется это повышенной избирательностью фазового детектора по отношению к помехам, частоты которых отличаются от частотывозбуждающей силы, на которую настроены полосовые первый 10 и второй 11фильтры, на величину, превосходящуюполосу пропускания фазового детектора, которая может составлять долигерц и определяется скоростью отрабатываемых изменений коэффициента усиления К, усилителя 5. Необходимаяизбирательность фазового детекторав данном регуляторе обеспечиваетсяналичием в его составе фильтра 12низких частот с интегратором на еговыходе .Периодическое изменение коэффициента усиления К 1, усилителя 5 относительно единицы (Фиг, 26) приводит ктому, что в положительные полупериоды опорного сигнала модуль коэффициента усиленияК 1 = 1 + ЬКо т е 15превосходит 1. Это означает, что ввиброзащитном устройстве на всех частотах возбуждающей силы, принадлежа-щих его рабочему диапазону, происходит перекомпенсация, т.е. вектор суммарной силы на каждой из указанныхсчастот равен значению (Е+Гп) и имеетфазу вектора компенсирующей силы Е",формируемого каналом 1 виброкомпенсации регулятора для виброзащитного 25устройства.Временная диаграмма выходного нап,ряжения полосового фильтра 11, настроенного на одну из составляющих сигнала датчика 8 суммарной силы, пока 30зана на Фиг, 2 в. В отрицатепьные полуп ери оды опорного сигналаК1 - К. и в виброзащитном устройостве происходит недокомпенсация возбуждающих сил, что на временной диаграмме фиг, 2 в отражается в том, что 35фаза напряжения, пропорциональногосуммарной силе (Г+Й ), совпадает сфазой выходного напряжения полосового фильтра,10, которое линейно связано с возбуждающей силой Г (Фиг . 2 а) .40В связи с симметрией изменений модулякоэффициентаК, усилителя 5 относительно 1 (фиг. 2 б) амплитуда суммарной .силы (фиг. 2 в) при положительныхи отрицательных приращениях коэффициента усиления К усилителя 5 остается постоянной, так как для любойсоставляющей возбуждающих сил в этимоменты времени выполняются соотношения:тдф 11 РГ,; (1-1-аК 1 ) =-К, ЬК 1К,.= К;+ , = К;+ К; (К , +ЬК) =55= Г; (1-1+ЯК ,) =Г, ЬКЯгде Г, и Г;- векторы суммарной силы, действующие на защищаемый объект 3 вположительный и отрицат ел ьный пол уп ери одыопор ног о сиг нала;ЦГ и К - д-е составляющие возбуждающей и компенсирующей (активной) силТаким образом, при симметричной прямоугольной модуляции коэффициента усиления усилителя 5 относительнооптзначенияК ) = 1 составляющие суммарной силы представляют собой последовательность гармонических импульсов, длительность которых равна половине периода Тм опорного сигнала, а фаза силы в начале каждого импульса меня".оется на 180 . Это означает, что врезультате периодического изменения коэффициента усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпенсации относительноспи оптимального значения К =-,1 сос-. тавляющие суммарного усилия, действу- ющего на защищаемый объект 3, становятся фазоманипулированными. Известно, что спектр таких гармонических импульсов сил не содержит составляющей с частотой Ю; возбуждающей силы Г, но имеет ряд составляющих2 7с частотами 62 + --- и меньшимиТамплитудами, Спектр -й составляющейсуммарной силы К, действующей . а Ена защищаемый объект, изображен на фиг. 2 к. Видно, что преобразование дискретной составляющей 2; в спектр сопровождается дополнительным нижением уровня возбуждения защищаемого объекта 3, а следовательно, и его вибрации. Этот эффект снижения вибрации может быть многократно увеличен за счет изменения частоты модуляции 2,ппо периодическому или случайному законам. При этом происходит уширение каждой из составляющих спектра -й составляющей суммарной силы Г; одновременным снижением их величины, Характер этого спектра при случайном изменении частоты модуляции на 20% от среднего. значения показан на фиг . 2 к пунктиром.,Таким образом, благодаря периодическому изменению коэффициента усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпен.сации данного регулятора относительно оптимального значения К = -1,наов1 о защищаемый объект 3 действуют фазо 1509841 10манипулированные сосТавляющие суммарной силы, возбуждающее действие которых проявляется в возникновении вибрации защищаемого объекта 3 на5 нескольких комбинационных частотах,2равных й 7 о; +. При изменении частоты модуляции 271/Т опорного сигнала уровень возбуждения защищаемого объекта 3 снижается, а при случайном характере этих изменений спектр возбуждаемой вибрации становится сплошным и имеет минимальный уровень,Рассмотренное преобразование спек тра составляющих суммарной силы обесс 1) печивается только при равенстве К " =оо 7,о - К . Если это равенство нарушается (фиг. 2 е)., в спектре -й составляющей суммарной силы (фиг. 2 к) появляется составляющая с частотой 63 О;. Это приводит к снижению эффективности виброзащитного устройства. Для устранения этого недостатка регулятор снабжен блоком 7 управления величиной 25 коэффициента усиления усилителя 5, который подстраивает средний коэффициент усиленияК усилителя 5 ксРбовоптимальному значениюК. = 1.тоЭто происходит следуюпдм образом. 30ср опЕсли К = К т , то фазоманипулированный сигнал с выхода второго полосового фильтра 11 подается на один из входов блока 9 сравнения, т.е. Фазового детектора, на другой вход которого подается выходное напряже- . ние первого полосового Фильтра 10, пропорциональное -й составляющей возбуждающей силы, действующей на защищаемый объект 3 и имеющей частоту 40 Ю; (фиг, 2 а). В результате сравнения этих сигналов (фиг. 2 а, в) в фазовом детекторе на его выходе образуется напряжение, пропорциональнде произведению амплитуд входных сигналов, а знак определяется сдвигом фазы между этими сигналами, Временная диаграмма выходного напряжения фазового детектора для этого случая показана на Фиг, 2 г. В связи с равенством положительных и отрицательных полупериодов этого напряжения, соответствующих синфазности и антифазности входных сигналов (Фиг. 2 а, в) выходное напряжение фильтра 12 низких частот равно нулю (Фиг, 2 д) и управление коэффициентом усиления усилителя 5 канала .11 виброкомпенсации отсутствует. Если в процессе работы виброзащитного устройства средний коэффициент усиленияСКизменяется, например становитсяменьше К , = -1 (фиг, 2 е), процесснедокомиенсации будет более явно выражен по сравнению с процессом перекомпенсации, что проявляется. в том,что -я составляющая суммарной силыТ,ч в первый полупериод 0 ---- модулиру 2 ющего напряжения будет иметь меньшую амплитуду (фиг. 2 ж), чем эта же составляющая во второй полупериод недо- компенсации Тм/2 - Тщ. Полупериоды выходного напряжения фазового детектора (фиг. 2 з) при этом уже не будут равными, что проявится в появлении постоянного напряжения на выходе фильтра 12 низких частот. Это напряжение складывается в суммирующем усилителе 13 с выходным сигналом генератора 14 опорного сигнала и подается на управляющий вход усилителя 5. В .результате этого его коэффициент усиления изменяется так,что средний коэффициент усиления КР всего каналаовиброкомпенсации стремится к оптиопт мальному значению К = К = -1,Аналогично процесс регулирования среднего коэффициента усиления канала 1 виброкомпенсации происходит при его отклонении от оптимального значения в, сторону его больших (по модулю)значений.Средний период Топорного сигнала выбирается значительно больше времени переходных процессов во втором полосовом фильтре 11, обусловленных прежде всего скачками фазы его входного сигнала в моменты переходов коэффициента усиления К канала 1 виброкомпенсации через оптимальное значение -1Кроме того, частота опорного сигнала должна быть, по крайней мере, в несколько раз меньше частоты -й вибрационной составляющей, выбранной для формирования управляющего сигнала, используемого при настройке среднего коэффициента усиления усилителя 5 канал 1 виброкомпенсации на оптимальное значение -1. Обычно частота :опорного сигнала составляет дали (единицы герц), а его форма может существенно отличаться от рассмотренной прямоугольной. Выбор формы опорного сигнала принципиального значения не имеет, поэтому в качестве генератора 14 опОрного сигнала могут быть приме 1509841 1230 иены, например, генераторы синусоидального, трапецеидального или пилообразного сигналов. Поскольку выходной сигнал датчика 2 возбуждающей силы во многих .случаях является полигармоническим, т.е, содержит несколько составляющих с различными частотами, то выбор составляющей, используемой в блоке. 7 управления величинойкоэффициента усиления усилителя 5 канала 1 виброкомпенсации, имеет важное значение. Если усилитель 5 (срегулируемым усилением) является избирательным, то основным критериемвыбора "рабочей" частоты блока 7 управления его коэффициентом усиленияявляется максимальное соотношениевибрационный сигнал(помеха, от величины которого зависит точность настройки среднего коэффициента усилениясрК, усилителя 5 на оптимальное значение -1 и эффективность виброзащитного устройства,В избирательном варианте данного 25регулятора для виброзащитного устройства полосовой фильтр 10 можетотсутствовать. Напряжение, пропорциональное выбранной составляющей возбуждающей силы, при .этом подаетсяна вход фазового детектора с выходасоответствующего полосового фильтраусилителя 5 (с регулируемым усилением), если усилитель 5 имеет на входе параллельно включенные полосовыефильтры,35Приширокополосном усилителе 5.выбор составляющей возбуждающей силы, используемой при управлении величиной его усиления, осуществляется 40с учетом неравномерности амплитуднои Фазочастотных характеристик канала1 виброкомпенсации, а также требований к величине виброзащитного эффекта на отдельных частотах вибрации.Для эффективного гашения полигармонической вибрации при использованиидля управления виброзащитным устройством данного регулятора частотныехарактеристики его канала 1 виброкомпенсации должны быть равномерными,50причем сдвиг фазы в рабочем диапазоне частот не должен существенно (наноример, не более 1 3 ) отличаться от-180.55На практике эти требования несложно выполнить, по крайней мере, в диапазоне до нескольких сотен герц,так как наиболее инерционный элемент этого регулятора - электромагнитныйвибровозбудитель 6 - в настоящее время может быть выполнен достаточно1 широкополосным. При этом несмотря нато, что для управления усилением канала 1 виброкомпенсации обычно используется одна иэ составляющих выходного сигнала датчика 2 возбуждающей силы, данный регулятор может обесобеспечить эффективную компенсациювсех или нескольких составляющих возбуждающей силы Г, действующей на защищаемый объект 3,Одновременно с компенсацией составляющих возбуждающей силы регулятор. обеспечивает перераспределениенескомпенсированной части колебательной энергии по частотному диапазонупутем фазовой манипуляции составляющих суммарной силы (Г+Кд), Благодаряавтоматической подстройке среднегозначения коэффициента усиления Ксрусилителя 5 канала 1 виброкомпенсации к оптимальному значению,К 1ояг1 о1 эффект гашения широкополоснойвибрации защищаемого объекта 3 засчет частичной компенсации составляющих возбуждающей силы и преобразования гармонических составляющих суммарной силы в линейчатый или шумоподобный спектр с минимальным уровнемстановится стабильным во времени, чтоувеличивает надежность работы виброзащитного устройства.Широкополосность - важное свойствопредлагаемого регулятора для виброзащитного устройства,Таким образом, предлагаемый регуля-.тор для виброзащитного устройства,допол"нительно содержащий суммирующий усилитель 6, генератор 14 опорного сигнала,подключенный выходом к одному из входов,суммирующего усилителя, другой входкоторого соединен с выходом Фильтранизких частот, и.выход подключен квходу .управления коэффициентом усиления усилителя (с регулируемым .усилением), а блок сравнения выполнен ввиде фазового детектора, позволяетповысить его точность и стабильность,что, в свою очередь, позволяет повы"сить эффективность и надежность рабо.ты виброзащитного устройства, для управления которым используется этотрегулятор,Формула изобретенияРегулятор для виброзащитного устройства, содержащий вибровоэбудитель.соединенный входом с выходом усилителя, подключенного информационным вхо -дом к выходу датчика возбуждающей силы и к входу первого полосового фильтра, соединенного выходом с первымвходом блока сравнения, подключенноговыходом к входу фильтра низких частот, а вторым входом через второй полосовой фильтр - к выходу датчика суммарной силы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью повышения точности и стабильности регулятора, в 5него введены последовательно соединенные генератор опорного сигнала исуммирующий усилитель, подключенныйвторым входом к выходу фильтра низкихчастот, а выходом - к входу управле О ния коэффициентом усиления усилителя.1509841 е Редакт андор рект ле Подписно и ГК ти 4/ оизвоцственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 За кВНИИТ 2 ЯвТру Составитель Г, НефедовТехред А.Кравчук 5810/44 Тираж 788 Государственного комитета 113035, Москва, Ж