СИСТЕМА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для создания на электродинамических и электрогидравлических вибростендах кратковременных динамических процессов, например ударных импульсов, и для измерения параметров этих процессов.
Аналогом предполагаемой полезной модели является цифровая система виброиспытаний Dactron. Система содержит программные средства формирования управляющего сигнала, передаваемого на силовое оборудование виброиспытательного комплекса, и средства приема и обработки сигналов по каналам управления и измерения. Система предназначена для воспроизведения различных вибрационных режимов (в том числе ударных импульсов) на электродинамических стендах (см. Техническое описание и инструкцию пользователя фирмы Dactron Inc. 1629 South Main Street Milpitas, CA 95035-6261 Web Site: www.dactron.com).
Используемые программные средства данной системы не обеспечивают формирование комплексных испытательных режимов (например, совместного воспроизведения непрерывной вибрации и ударного импульса). Следует, однако, принимать во внимание, что эти режимы, по сути, соответствуют реальному эксплуатационному состоянию современной техники. Кроме того, высокая стоимость расходов на приобретение и профилактическое обслуживание, свойственная импортному оборудованию, ограничивает возможности его приобретения и возможной эксплуатации.
Аналогом-прототипом предполагаемой полезной модели является система обработки сигналов в соответствии с патентом №62703 от 27.11.2006. Указанная система содержит формирователь апериодических колебаний, виброиспытательный комплекс, измерительный канал, частотный фильтр, измеритель амплитуды сигнала, анализатор спектра, импульсный генератор, самописец, тиристорный каскад, инвертор, блок стробирования и компьютерный комплекс.
Система обеспечивает выделение полезных сигналов из широкополосного случайного процесса, представляющего либо сопровождающую непрерывную вибрацию, либо внешнюю помеху. При этом происходит прием каждой новой реализации в реальном времени, а результаты предыдущего измерения не сохраняются и не осредняются. Известно, что аппаратурная обработка, производимая в отношении единственной реализации, позволяет получить смещенную оценку параметров исследуемого процесса. Определение несмещенной оценки требует осреднения по ансамблю. Отмеченный недостаток прототипа снижает точность обработки сигналов и качества испытаний в целом.
Задачей предполагаемой полезной модели является формирование на входе виброиспытательного комплекса задающего сигнала, представляющего собой кратковременную или непрерывную реализацию, содержащую нестационарную составляющую (в частности, ударный импульс) и последующее измерение параметров воспроизводимого процесса.
Сущность предполагаемой полезной модели состоит в том, что в аппаратурную систему, содержащую виброиспытательный комплекс, измерительный канал, формирователь апериодических колебаний, измеритель амплитуды сигнала, частотный фильтр, коммутатор, блок стробирования и компьютерный комплекс, дополнительно введен генератор тактовых импульсов, второй измерительный канал, сумматор, источник переменного напряжения (широкополосного случайного, узкополосного случайного или гармонического) и многоконтактное реле.
При этом входы первого и второго измерительных каналов соединены между собой, а их выходы подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора. Выход коммутатора соединен с входом частотного фильтра, который своим выходом подключен к входу измерителя амплитуды сигнала. Выход измерителя соединен с первым входом компьютерного комплекса, ко второму входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов. Кроме того, выход генератора тактовых импульсов соединен так же с входом формирователя апериодических колебаний и с первым входом блока стробирования, второй вход которого подключен к выходу сумматора, а выход блока стробирования соединен с входом виброиспытательного комплекса. При этом первый вход сумматора соединен с выходом формирователя апериодических колебаний, а второй вход- с выходом источника переменного напряжения. Кроме того, вход и выход блока стробирования подключены к первой группе контактов реле, а выходы сумматора и коммутатора и входы виброиспытательного комплекса и частотного фильтра соединены со второй группой контактов реле.
Технический результат предложенной полезной модели состоит в том, что обеспечивается формирование виброиспытательного режима, представляющего собой ограниченное по длительности или непрерывное по времени воздействие, содержащее нестационарную составляющую (например, ударный импульс). При этом предполагаемая полезная модель обеспечивает определение необходимых параметров воспроизводимого процесса с использованием программных средств компьютерного комплекса, в частности посредством осреднения по ансамблю. Это повышает точность определения параметров воспроизводимых процессов и способствует повышению качества лабораторных виброиспытаний.
На фиг.1 представлена блок-схема системы при ее работе в режиме воспроизведения кратковременных реализации, содержащих ударный импульс и сопровождающий знакопеременный процесс.
На фиг.2 показана блок-схема системы при ее работе в режиме воспроизведения непрерывной реализации, так же содержащей ударный импульс и знакопеременный процесс.
На фиг.3 представлено соединение блоков системы с контактами реле при работе системы в первом указанном режиме, а на фиг.4 - схема соединения блоков системы с контактами реле при работе во втором указанном режиме.
На фиг.1-11 Приложения приведены диаграммы сигналов, поясняющие реальную работу системы.
1
2
Система, представленная на фиг.1, содержит формирователь 1 апериодических колебаний, сумматор 2, источник 3 стационарного процесса, блок стробирования 4, виброиспытательный комплекс 5, измерительные каналы 6 и 6, коммутатор 7, частотный фильтр 8, измеритель 9 амплитуды сигнала, приемник 10 реализации исследуемого процесса, приемник 11 синхроимпульса, генератор 12 тактовых импульсов. Приемники 10 и 11 входят в состав компьютерного комплекса и размещены в выносном устройстве, обозначенном на фиг.1 и 2 как LDS.
1
2
Система согласно фиг.1 имеет следующие взаимосвязи элементов. Вход формирователя 1 апериодических колебаний соединен с выходом генератора тактовых импульсов 12, а выход формирователя 1 подключен к первому входу сумматора 2, со вторым входом которого соединен выход источника 3 стационарного процесса. Выход сумматора 2 в блок-схеме фиг.1 подключен к первому входу блока стробирования 4, выход которого соединен с входом виброиспытательного комплекса 5. При этом второй вход блока стробирования 4 подключен к выходу генератора тактовых импульсов 12. Выход виброиспытательного комплекса 5 соединен с входами измерительных каналов 6 и 6, выходы которых соответственно подключены к первому и второму входам коммутатора 7. Выход коммутатора 7 подключен к входу частотного фильтра 8, своим выходом соединенного с входом измерителя 9 амплитуды сигнала. Выход измерителя 9 подключен к входу приемника 10 реализации исследуемого процесса. Кроме того, генератор 12 тактовых импульсов своим выходом соединен так же с входом приемника 11.
Система, выполненная согласно фиг.2, имеет следующие взаимосвязи, отличающиеся от блок-схемы фиг.1.
Выход сумматора 2 подключен непосредственно к входу виброиспытательного комплекса 5, а не через блок стробирования 4. При этом первый вход блока стробирования 4 соединен с выходом коммутатора 7, а выход блока стробирования 4 подключен к входу частотного фильтра 8. Все остальные соединения элементов блок-схемы фиг.2 одинаковы с блок-схемой фиг.1
Взаимосвязи элементов блок-схемы фиг.1 с контактами реле показаны на фиг.3.
Выход сумматора 2 подключен к контакту 14 реле 13, контакты 15 и 16 реле соединены соответственно с первым входом и выходом блока стробирования 4. Вход виброиспытательного комплекса 5 соединен с контактом 17 реле. Кроме того, выход коммутатора 7 подключен к контакту 18, а вход частотного фильтра к контакту 19 реле 13. Положение контактов 14-15, 16-17 и 18-19 соответствует обесточенному состоянию обмотки реле 13.
Взаимосвязи элементов блок-схемы фиг.2 с контактами реле 13 показаны на фиг.4.
Выход сумматора 2 подключен к контакту 15 реле 13, а вход виброиспытательного комплекса 5 соединен с контактом 17 реле. При этом специально установленная перемычка между контактами 15 и 20 реле 13 обеспечивает соединение выхода сумматора 2 с входом виброиспытательного комплекса 5. Выход коммутатора 7 через последовательную цепочку контактов 18-22-23-14 реле 13 подключен к первому входу блока стробирования 4, выход которого через контакты 16-24-25 соединен с входом частотного фильтра 8. Указанные соединения выхода коммутатора 7 и первого входа блока стробирования 4 обеспечивает специально установленная перемычка между контактами 22 и 23 реле 13. Подобным же образом выход блока стробирования 4 и вход частотного фильтра 8 соединен при помощи перемычки между контактами 24 и 25 реле 13. Положение
контактов 20-21, 18-22, 14-23 и 16-24 соответствует состоянию, при котором в обмотку реле подано рабочее напряжение.
В осуществленном варианте системы применены следующие аппаратурные средства:
- формирователь 1 соответствует аналогичному устройству, приведенному в патенте №62703 от 27.11.06;
- сумматор 2 соответствует устройству, приведенному в работе «Электронные схемы. Практическое руководство», Дж.Ленк, М., «Мир», 1985, стр.268-269;
- в качестве источника узкополосного случайного процесса 3 использованы генератор шума 03004 и узкополосный фильтр 01013 опция ВР, приведенные в техническом описании VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 04.89, 09.89;
- в качестве источника широкополосного случайного процесса 3 использован блок программ Waveform source компьютерной системы Photon, приведенных в RT Pro Руководстве пользователя. Редакция 6.0 LDS-Dactron 47300 Kato Road Fremont, CA94538 Web-сайт: www.lds-group.com;
- в качестве блока стробирования 4 использован селектор сигналов по времени 2972, описанный в каталоге фирмы «Блюр и Кьер» изд. 1974;
- в качестве виброиспытательного комплекса 5 использованы усилитель мощности, соответствующий типу SPA-40k, приведенному в паспорте завода-изготовителя 347905 г.Таганрог, Ростовской обл., ул. 2 Котельная 28, «Ростех», и вибростенд, соответствующий типу Д10А, описанный в справочнике «Приборы и системы» под ред. В. В. Клюева, т.2 стр.291;
- в качестве измерительного канала 6 использован виброизмерительный интегрирующий усилитель 00028, приведенный в техническом описание фирмы VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 09.88;
- совместно с усилителем 00028 использован пьезоакселерометр типа КД-35, приведенный в техническом описании «Пьезоэлектрические датчики ускорения» VEB Metra und Frequenztechnik Radebeul изд. 10.81;
- в качестве коммутатора 7 использован двухканальный переключатель 04002, приведенный в техническом описании VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 11.84;
- в качестве частотного фильтра 8 использован узкополосный фильтр 01013 (опция ТР или HP), приведенный в техническом описании VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 09.87;
- в качестве измерителя амплитуды сигнала 9 использован индикаторный блок 02036, приведенный в техническом описании VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 06.88;
- в качестве компьютерного комплекса (приемники 10 и 11 в выносном устройстве LDS как составная часть) использована система Photon, описанная в RT Pro Анализ динамических сигналов. Руководство пользователя. Редакция 6.0 Web-caйт:www.lds-group.com;
- в качестве генератора тактовых импульсов 12 использован генератор 03005, приведенный в техническом описании VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön Dresden изд. 12.88;
- в качестве реле, указанного на фиг.2 и 3, использовано реле РЭН 33 РФ 4510022.
Все указанные аппаратурные средства соответствуют своему функциональному назначению.
Система, предназначенная для воспроизведения коротких реализации, содержащих знакопеременную составляющую и ударный импульс, действует следующим образом (см. фиг.1 и 3 и диаграммы 1-11 Приложения).
1
Сигнал U, представляющий собой короткий импульс прямоугольной формы, с выхода генератора тактовых импульсов 12 поступает на вход
2
2
2
3
4
3
4
4
1
4
5
формирователя 1 апериодических колебаний и приводит его в действие. При этом на выходе формирователя 1 создается сигнал U, структура которого показана на фиг.1 Приложения. Органами управления формирователя 1 регулируются параметры сигнала U - амплитуда, частота формирующего колебания, длительность, фаза, период повторения. Сигнал U с выхода формирователя поступает на первый вход сумматора 2, на второй вход которого с выхода блока 3 поступает сигнал U, представляющий собой переменное напряжение (широкополосное или узкополосное случайное, гармоническое). Органами управления сумматора 2 и источника 3 регулируются параметры сигнала U на выходе сумматора: частотный состав и уровень переменного напряжения, а так же отношение амплитуды апериодического колебания к среднеквадратической величине сигнала U. Форма сигнала U на выходе сумматора показана на фиг.2 Приложения. Сигнал U с выхода сумматора 2 передается на первый вход блока стробирования 4, на второй вход которого с выхода генератора 12 тактовых импульсов поступает импульс U, приводящий блок стробирования 4 в действие. При этом на выходе блока стробирования 4 формируется временной промежуток (выборка) из сигнала U. Временное расположение и длительность сигнала U регулируются в требуемых пределах.
6
1
2
1
7
2
8
1
2
Реализация комплексного динамического короткого процесса, воспроизводимого вибростендом, показана на фиг.3 Приложения. Этот процесс, преобразуемый пьезоакселерометром в электрический сигнал U, одновременно поступает на входы измерительных усилителей 6 и 6. Измерительный усилитель 6 работает в режиме прямого усиления, создавая на выходе сигнал U, величина которого пропорциональна виброускорению. Измерительный усилитель 6 работает в режиме двойного интегрирования; создаваемый на его выходе сигнал U пропорционален виброперемещению. Характер такого сигнала показан на фиг.4 Приложения. Настройка измерительных усилителей 6 и 6 производится при калибровке. Единицы измерения и коэффициент чувствительности каждого канала заносятся в программу компьютерной обработки.
4
5
9
7
8
Прохождение сигналов U с выхода сумматора 2 на первый вход блока стробирования 4 и U с выхода блока стробирования 4 на вход виброиспытательного комплекса 5 показано на фиг.3, где указаны номера контактов реле 13. Подобным же образом на фиг.3 показана передача сигнала U с выхода коммутатора 7 на вход фильтра 8. При воспроизведении кратковременных динамических процессов обмотка реле 13 находится в обесточенном состоянии. Коммутатор 7 попеременно передает сигналы U и U на вход аппаратуры, подключенной к его выходу.
9
9
10
1
2
Сигнал U с выхода коммутатора поступает на вход частотного фильтра 8. В тех случаях, когда по условиям эксперимента нет необходимости выделять полосу частот исследуемого процесса, частотный фильтр 8 работает в линейном режиме. Сигнал U на выходе фильтра 8 и U на выходе измерителя 10 повторяют структуру сигнала на выходе измерительного усилителя 6 или 6. Если же требуется ввести ограничения по диапазону измерения, фильтр 8 включается в работу в режиме фильтра нижних или в режиме фильтра верхних частот.
10
Режим работы и значение частоты среза устанавливаются при настройке фильтра 8. Сигнал U с выхода измерителя 9 передается на вход блока 10 приемника реализации исследуемого процесса. Блок 10 является составной частью компьютерного комплекса. По существу этот блок представляет собой первый вход компьютерного комплекса.
1
Сигнал U с выхода генератора тактовых импульсов 12 поступает также на вход блока 11 приемника синхроимпульса. Блок 11 также входит в состав компьютерного комплекса и, по сути, представляет собой его второй вход.
1
1
При обработке нестационарных сигналов компьютерный комплекс приводится в действие с момента поступления на вход блока 11 тактового импульса U. Параметры импульса U указываются в программе, управляющей работой приемников 10 и 11.
9
В качестве примера обработки сигнала U фильтром низких частот на фиг.5 и 6 Приложения показаны реализации ударного импульса на входе и выходе фильтра 8 соответственно.
Обработка единственной реализации, представленной на диаграммах фиг.5 и 6 Приложения, соответствует одному и тому же исследуемому динамическому процессу.
Программные средства компьютерного комплекса Photon, используемого в предполагаемом изобретении, обеспечивают следующие виды обработки:
- прием и регистрация однократной реализации кратковременного динамического процесса;
- прием и обработка последовательности реализации исследуемого динамического процесса с осреднением по ансамблю;
- спектральный и корреляционный анализ как для однократной реализации, так и для ансамбля реализации.
На фиг.7 Приложения показана реализация ударного импульса, полученная осреднением по ансамблю из 20 реализации, а на фиг.8 Приложения - полученный подобным же способом спектральный состав импульса. Осредненные значения представляют несмещенные оценки параметров исследуемого процесса.
При необходимости измерения спектрального состава знакопеременной составляющей исследуемого процесса (широкополосной случайной или узкополосной случайной) фильтр 8 включается в режиме фильтра верхних частот (опция HP в аппаратурном блоке типа 01013 Robotron).Частота среза устанавливается с расчетом подавления частот, принадлежащих ударному импульсу. Пример результата, полученного при работе системы в таком режиме, представлен на фиг.9 Приложения.
Отличительная особенность работы системы при воспроизведении непрерывных реализации, содержащих ударный импульс и сопровождающий знакопеременный процесс, состоит в следующем (см. фиг.2 и 4).
В обмотку реле поступает напряжение питания от внешнего источника. При этом блок стробирования 4 отключается от цепи между выходом сумматора 2 и входом виброиспытательного комплекса 5 и включается в цепь между выходом коммутатора 7 и входом частотного фильтра 8. Одновременно с этим выход сумматора 2 соединяется с входом виброиспытательного комплекса 5.
4
9
9
5
5
Контакты реле, через которые осуществляются указанные соединения, показаны на фиг.4. При этом соединения между контактами 1-2, 7-8, 10-11 и 4-5 представляют штатные положения при срабатывании реле, а соединения между контактами 3-10, 11-6, 1-7 и 4-9 созданы специально установленными перемычками. В соответствии с указанными соединениями сигнал U с выхода сумматора 2 передается на вход виброиспытательного комплекса 5, а сигнал U с выхода коммутатора 7 поступает на первый вход блока стробирования 4. При этом комплексный процесс воспроизводится виброиспытательным комплексом 5 непрерывно, на первый вход блока стробирования 4 с выхода коммутатора 7 поступает реализация U непрерывного процесса. Блок стробирования 4 формирует на своем выходе выборку U, содержащую ударный импульс совместно со знакопеременным сигналом. Временные параметры выборки U (длительность и положение переднего фронта) устанавливаются необходимой регулировкой блока стробирования 4.
9
5
На фиг.10 и 11 Приложения в качестве примера показаны временные функции сигнала U на входе блока стробирования 4 и сигнала U на его выходе.
Передача обоих сигналов на вход компьютерного комплекса и их обработка выполнены в реальном времени.