Система управления многонаправленным испытательным вибростендом

Полезная модель относится к системам автоматического регулирования и может быть использована для проектирования и разработки систем управления испытательных вибрационных стендов.
1
2
3
Известен многонаправленный испытательный вибростенд - патент РФ №2327131, МПК G01M 7/06 [1], создающий трехкомпонентные линейные вибрации на испытуемом объекте с использованием одного вибровозбудителя, формирующего вибрации вдоль своей оси. По компонентам пространственной вибрации n, n, n в центральных ортогональных осях объекта испытаний, которые задаются определенным расположением объекта на платформе, определяется амплитуда виброускорений п вдоль рабочей оси вибратора:
.
Управление вибростендом осуществляется по виброускорению n.
Известен имитатор системы управления испытательным вибрационным стендом с пьезоэлектрическим акселерометром (патент РФ №123186 МПК G05B 13/02) [2], содержащий объект управления, блок выделения модуля, первый блок суммирования, второй блок суммирования, блок задержки, умножитель, задающее устройство, третий блок суммирования, последовательный динамический корректор, в котором названные блоки выполняют функцию коррекции по фазе возбуждающего вибростенд сигнала, что приводит к увеличению точности воспроизведения амплитуды виброускорений.
Однако контроль за параметром сигнала ведется в одной точке - акселерометром. Другие области стола вибростенда не контролируются.
Названные выше примеры систем управления вибростендами для обработки первичных сигналов используют аналоговые цепи, поэтому система управления довольно громоздка.
В патенте US №3. 710. 082 от 09.01.1973 [3] приведена система цифрового управления вибростендом, где в качестве решающего устройства приметен цифровой вычислительный блок.
Цифровая система управления вибрационным стендом с использование ЭВМ описана в [4], принята за прототип.
Система содержит вибростенд, датчик виброускорений (акселерометр), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель мощности, электронную вычислительную машину (ЭВМ) и таймер. Алгоритмическое и программное обеспечение ЭВМ имеет модульную структуру: модуль управления вибрационным стендом, модуль генератора испытательных сигналов и измерителя статистических характеристик сигналов и модуль координации функционирования элементов системы и программного обеспечения.
Существенными недостатками прототипа и его аналогов являются:
- неравномерность распределения вибрации по столу вибростенда приводит к неравномерности трехкомпонентной линейной вибрации в разных точках испытуемого изделия;
- управление по параметрам вибрации вдоль рабочей оси вибратора не позволяет точно воспроизвести требуемое воздействие в контрольной точке объекта испытаний;
- наличие высокочастотных шумовых составляющих в измерительном сигнале с акселерометра приводит к случайным колебаниям исполнительного механизма системы, что увеличивает дисперсию ошибки регулирования и снижает точность регулирования [5].
Технический результат - повышение точности воспроизведения заданных параметров вибрации на испытуемом изделии.
Технический результат достигается тем, что система управления многонаправленным испытательным вибростендом содержит акселерометр, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, фильтр нижних частот, усилитель мощности, ЭВМ, имеющую программный модуль координации функционирования элементов системы и программного обеспечения, модуль управления вибрационным стендом, модуль генератора испытательных сигналов и измерителя статистических характеристик сигналов и таймер. Согласно полезной модели для повышения точности воспроизведения заданных параметров вибрации на испытуемом изделии дополнена лазерным виброметром, оснасткой с возможностью регулирования наклона, закрепленного на ней объекта и установленной на платформе вибростенда, фильтром нижних частот, адаптером последовательного кода в цепи обратной связи регулируемой системы.
2
2
Для достижения технического результата в систему управления вибрационным стендом с ЭВМ вводится измеритель вибрации (лазерный виброметр), направленный вдоль ортогональной оси объекта испытаний и совпадающий с компонентом вектора виброускорений n. Остальные компоненты пространственного вектора вычисляются по измеренным значениям n [1]:
,
,
где: θ - двугранный угол между плоскостью основания платформы с узлами для крепления объекта испытаний и плоскостью основания для соединения со столом вибростенда,
1
ϕ - угол, образованный между координатной осью объекта, совпадающий с направлением виброускорений n, и ребром двугранного угла.
Кроме того, для уменьшения влияния высокочастотных помех в измерительных сигналах с акселерометра введен фильтр нижних частот (ФНЧ) [5, 6].
При этом ФНЧ включен в связь между выходом акселерометра и входом соответствующего АЦП.
На чертеже представлена блок-схема системы управления многонаправленным испытательным вибростендом.
Система управления многонаправленным испытательным вибростендом, содержащая исполнительное устройство управления стендом 1, платформу 2 с закрепленным на ней объектом испытаний 3, акселерометр 4, АЦП 5, ЦАП 6, фильтр нижних частот 7, усилитель мощности 8, ЭВМ 9, имеющую программный модуль координации функционирования элементов системы и программного обеспечения 10, модуль управления вибрационным стендом 11, модуль генератора испытательных сигналов и измерителя статистических характеристик сигналов 12 и таймер 13 с целью повышения точности воспроизведения заданных параметров вибрации на испытуемом изделии, дополнена лазерным виброметром 14, оснасткой 15, имеющей возможность регулирования наклона закрепленного на ней объекта 3 и устанавливаемой на платформе 2 исполнительного устройства управления стендом 1, фильтром нижних частот 16, адаптером последовательно кода 17 в цепи обратной связи регулируемой системы.
Система управления многонаправленным испытательным вибростендом функционирует следующим образом.
1
2
3
В ЭВМ 9 программный модуль координации функционирования элементов системы и программного обеспечения 10, взаимодействуя с такими же модулями управления вибрационным стендом 11 и генератора испытательных сигналов и измерителя статистических характеристик сигналов 12, формирует управляющие сигналы, которые поступают на последовательно соединенные ЦАП 6, ФНЧ 7, усилитель мощности 8 и исполнительное устройство управления стендом 1. Вследствие воздействия управляющих сигналов приводится в движение стол вибростенда с закрепленной на нем платформой 2, на которой располагается испытуемый объект 3 с заданными по компонентам n, n, n пространственной вибрации углами наклона. Измеренные сигналы с акселерометра 4, установленного на столе исполнительного устройства управления стендом 1, поступают на последовательно соединенные ФНЧ 16, АЦП 5 и, далее, на ЭВМ, сигналы с выхода лазерного виброметра 14, направленного на контрольную точку испытуемого объекта 3, поступают на адаптер последовательно кода 17. Оцифрованные сигналы передаются в ЭВМ и обрабатываются программными модулями генератора испытательных сигналов и измерителя статистических характеристик сигналов 12 и далее - модулем управления вибрационным стендом 11. Синхронизацию работы ЭВМ 9 и лазерного виброметра 14, направленного на контрольную точку испытуемого объекта 3, АЦП 5, адаптер последовательного кода 17, а также ЦАП 6 обеспечивает таймер 13.
Сведением, подтверждающим возможность выполнения системой управления многонаправленным испытательным вибростендом предписываемой ему в составе данной системы функции, является разработанная математическая модель его функционирования.
Математическая модель (ММ) строится для системы управления многонаправленным испытательным стендом в части представления значений векторов ускорений и скорости изменения управляющего воздействия на вибростенд по трем координатам.
2
2
Для решения поставленной цели в систему управления вибрационным стендом с ЭВМ вводится измеритель вибрации (лазерный виброметр), направленный вдоль ортогональной оси объекта испытаний и совпадающий с компонентом вектора виброускорений n. Остальные компоненты пространственного вектора вычисляются по измеренным значениям n
,
,
где θ - двугранный угол между плоскостью основания платформы с узлами для крепления объекта;
1
ϕ - угол, образованный между координатной осью объекта, совпадающий с направлением виброускорений n, и ребром двугранного угла.
Датчик виброускорений формирует сигнал, вектор которого m объединяется с ортогональным вектором n в ЭВМ, моделируя результирующий вектор N. Мгновенное значение результирующего вектора N представляет сумму мгновенных значений векторов n и m с соответствующими согласующими коэффициентами, таким образом, вектор N описывает действительное состояние измеряемых параметров вибростенда,
.
Массив результирующих векторов параметров N сравнивается в ЭВМ с эталонами, где и вычисляются сигналы ошибки для регулятора вибростенда.
Динамическая погрешность результирующего сигнала минимальна при времени опроса виброметра не более 0,1 от частоты сигнала, подаваемого на вибростенд. При времени опроса порядка 10 мкс (время взято со значительным запасом для современных цифровых вычислителей) это условие позволяет формировать сигналы управления для вибростенда с частотой до нескольких килогерц, что значительно превышает рабочие интервалы частот в вибростендах.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и математической модели. Результаты математической модели показали возможность технической реализации полезной модели и достижение заявленного технического результата.
Предлагаемая система управления многонаправленным испытательным вибростендом повышает точность воспроизведения заданной вибрации на испытуемом изделии, а также может быть использована для управления однонаправленным испытательным вибростендом.
Источники информации
1. Патент РФ №2327131, МПК G01M 7/06.
2. Патент РФ №123186 МПК G05B 13/02.
3. Патент US №3.710.082 от 09.01.1973.
4. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб. и доп. Т.1 Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - С. 370-371.
5. ГОСТ Р ИСО 10813-1-2011. Вибрация. Руководство по выбору вибростендов. Часть 1. Оборудование для испытаний на воздействие вибрации.
6. Мазуров В.М. Автоматические регуляторы в системах управления и их настройка. Часть 2. Автоматические регуляторы и их настройка. Общие сведения о промышленных системах регулирования / В.М. Мазуров // Компоненты и технологии. - 2003. - №5. - С. 59-62.