CS256893B1 - Zapojení pro vyhodnocování souřadnice polohy, její první derivace a její druhá derivace - Google Patents

Abstract

Zapojení se týká analogového zapojeni vyhodnocování souřadnice polohy, její první derivace ze signálů měřicích převodníků souřadnice polohy a její druhé derivace, z nichž první signál je zakreslen chybou dynamické složky a/nebo druhý signál je zkreslen chybou statické a/nebo pomalu se měnící složky. Očelem zapojení je rozšířit frekvenční pásmo a zvýšit statickou a dynamickou přesnost signálů vyjadřujících složky kinematických veličin charakterisujících absolutní nebo vzájemný pohyb částí strojů, např. tvářecích, obráběcích nebo zkušebních strojů, zkušebních objektů apod. a potlačit frekvenčně závislou chybu a aditivní rušivé složky výstupních signálů použitých snímačů polohy a zrychlení. Zapojení obsahuje tři dolní propusti, jednu horní propust, čtyři kombinační členy pro vytváření lineárních kombinací signálů a integrátor.

Description

Vynález se týká zapojení pro vyhodnocování souřadnice polohy, její první derivace a její druhé derivace ze signálu měřícího převodníku souřadnice polohy a ze signálu měřicího převodníku druhé derivace téže souřadnice polohy, z nichž prvni signál je zkreslen chybou dynamické složky a/nebo druhý signál je zkreslen chybou statické a/nebo pomalu se měnící složky.

V řadě oborů vědy a techniky je nutno přesně určovat časové průběhy kinematických veličin pohybu, například posuvného nebo otáčivého, části strojů, zařízení nebo zkušebních objektů apod., tj. určovat polohy, rychlosti a zrychlení hodů a těles vzhledem ke vztažnému tělesu v širokém frekvenčním rozsahu. Měřené veličiny jsou využívány nejen pro účely výzkumu a vývoje strojů, zařízení a technologických procesů, ale i pro jejich řízení, jako zpětnovazební veličiny zaváděné do regulátoru pro zajištění nebo zlepšení funkce regulovaných soustav.

Používání samostatných snímačů pro měření kinematických veličin, tj. polohy, rychlosti a zrychlení, popřípadě jejich složek ve zvolených směrech, může být nákladné nebo technicky neuskutečnitelné, například při nedostatku místa pro umístění snímačů s potřebnými frekvenčními charakteristikami, nepřípustnosti zatěžování měřeného objektu přídavnou hmotou snímačů apod.

Snímače polohy osvědčených spolehlivých typů běžně používaných v automatizační a měřicí technice, například induktivních nebo kapacitních s vysokou přesností měření statických a pomalu se měnících hodnot, mají zpravidla poměrně nízký mezní kmitočet. Při derivování jejich výstupních signálů polohy pro získání signálů rychlosti je nutno pomocí dolnofrekvenčních filtrů značně potlačovat vyšší kmitočty, a tím dále zkreslovat amplitudu i fázi dynamické složky signálu rychlosti, aby byl na únosnou míru potlačen šum vznikající ve snímači a elektrických obvodech.

Derivováním signálu se také nepřípustně zvyšuje podíl případného zbytkového signálu o nosném kmitočtu. Proto při velkých nárocích na šíři pásma výstupních signálů se nejčastěji v 4 5 při měření vibrací používají kompaktní akcelerometry s šířkou pásma až do 10 až 10 Hz.

Integrací výstupního signálu zrychlení se získává signál rychlosti, další integrací signál polohy, ovšem pouze jeho dynamická složka. Při integraci signálů akcelerometrů musí být totiž při dlouhodobém měření potlačena oblast nejnižších kmitočtů včetně stejnosměrné složky. Dolní mezní kmitočet pro amplitudovou chybu - 3 db u nejčastěji používaných piezoelektrických akcelerometrů je typicky v řádu 1 až 10 Hz. Čím je tento kmitočet zvolen nižší, tím více se při integraci uplatňuji v signálu rychlosti a zejména v signálu polohy, respektive posuvu pomalé fluktuace vstupního signálu zrychlení, nezbytně vznikající jak ve vlastním akcelerometrů, tak i v připojených elektronických obvodech.

Tyto nevýhody podstatně snižuje podle vynálezu zapojení pro vyhodnocování souřadnice polohy, její první derivace a její druhé derivace ze signálu měřicího převodníku souřadnice polohy a ze signálu měřicího převodníku druhé derivace téže souřadnice polohy, přičemž první signál je zkreslen chybou dynamické složky a/nebo druhý signál je zkreslen chybou statické a/nebo pomalu se měnící složky. Podstata zapojení podle vynálezu spočívá v tom, že vstupní svorka pro signál x_m(t) měřicího převodníku souřadnice polohy je spojena přes první dolní propust s prvním vstupem prvního kombinačního členu a přes horní propust s prvním vstupem druhého kombinačního členu, jehož výstup je přes druhou dolní propust spojen s druhým vstupem prvního kombinačního členu.

Vstupní svorka pro signál (t) měřicího převodníku druhé derivace souřadnice polohy je spojena s prvním vstupem třetího kombinačního členu, jehož výstup je přes třetí dolní propust spojen s druhým vstupem druhého kombinačního členu. Vstupní svorka pro signál a (t) měřicího převodníku souřadnice polohy je také připojena na první vstup čtvrtého kombinač in ního členu, na jehož druhý vstup je připojen výstup prvního kombinačního členu, výstup čtvrtého kombinačního členu je přes integrátor spojen s druhým vstupem třetího kombinačního členu.

Některé nebo všechny kombinační členy mohou být ve zvláštním případě provedeny jako součtové, popřípadě rozdílové členy.

Výstupní svorka pro syntetizovaný signál x(t) souřadnice polohy je spojena s výstupem, prvního kombinačního členu,· výstupní svorka pro syntetizovaný signál v(t) první derivace souřadnice polohy je spojena s výstupem druhého kombinačního členu a výstupní svorka pro syntetizovaný signál a(t) druhé derivace souřadnice polohy je spojena s výstupem třetího kombinačního členu.

Zapojení podle vynálezu má tyto výhody.

Současně poskytuje výstupní signály polohy, rychlosti a zrychlení při přímočarém nebo rotačním pohybu nebo analogických veličin při obecnějších druzích pohybů bodů a těles, včetně statických a pomalu se měnících složek polohy, rychlosti a zrychlení, a to i při použití takového převodníku druhé derivace souřadnice polohy, například piezoelektrického akcelerometru, který má nerovnoměrnou frekvenční charakteristiku v oblasti nejnižších kmitočtů. V oblasti nízkých kmitočtů zapojení také účinně potlačuje nepříznivý vliv pomalých fluktuací vznikajících v akcelerometru a připojeném zesilovači. Pokud jde o horní mezní kmitočet všech výstupních signálů, je dán vysokou hodnotou dosažitelnou použitým akcelerometrem. Je tak potlačen vliv případné amplitudové a fázové chyby použitého snímače polohy při vyšších kmitočtech. Ve všech výstupních signálech jsou značně potlačeny rušivé složky vznikající na vyšších kmitočtech ve snímači polohy, včetně případných zbytků nosného signálu snímače.

Příklad zapojení podle vynálezu je uveden na připojeném výkresu.

Zapojení obsahuje vstupní svorku 6 pro signál ^xm<t) měřicího převodníku souřadnice polohy, dále jen vstup 6 signálu x^ít) převodníku souřadnice, vstupní svorku 1_ pro signál a^ft) měřicího převodníku druhé derivace téže souřadnice polohy, a dále jen vstup 7_ signálu a^ft) převodníku druhé derivace, výstupní svorku 8. pro syntetizovaný signál x(t) souřadnice polohy, dále jen výstup j) syntetizovaného signálu x(t) souřadnice, výstupní svotku _9 pro syntetizovaný signál v(t) první derivace souřadnice polohy, dále jen výstup 2 syntetizovaného signálu v(t) první derivace, výstupní svorku 10 pro syntetizovaný signál a(t) druhé derivace souřadnice polohy, dále jen výstup 10 syntetizovaného signálu a(t) druhé derivace, první dolní propust s frekvenčním přenosem F^(jwl, druhou dolní propust 2_ s frekvenčním přenosem F^íjco), třetí dolní propust 2 ^s frekvenčním přenosem F^íjcu), horní propust 4^ s frekvenčním přenosem F^(ja?), integrátor s frekvenčním přenosem F^íja?).

Dále zapojení obsahuje první kombinační člen 11, druhý kombinační člen 12 a třetí kombinační člen 13, které jsou v uvedeném příkladě všechny provedeny jako součtové členy, a čtvrtý kombinační člen 14, v uvedeném příkladě provedený jako rozdílový člen, s přičítacím vstupem jakožto prvním vstupem kombinačního členu 14 a s odečítacím vstupem jakožto druhým vstupem kombinačního členu 14.

V uvedeném příkladě jsou výše uvedené frekvenční 1

F₁ (jco ) =

F₃(j^) ^:

Ft- (jw ) i₊j^r_x

Ty l + jtot G j

přenosy

F₂(Jco) dány vztahy

Tx j to + jcoť ^J v (1) kde Caí = 2'řjr je kruhový kmitočet, je časová konstanta částí zapojení vytvářejících syntetizovaný signál v(t) první derivace, 77_x je časová konstanta částí zapojení vytvářejících syntetizovaný signál x(t) souřadnice, G je konstanta integrátoru £.

Vstup £ signálu ^xm(t) převodníku souřadnice je připojen na první vstup čtvrtého kombinačního členu 14, přes první dolní propust £ na první vstup prvního kombinačního členu 11 a přes horní propust 2 na první vstup druhého kombinačního členu 12.

Vstup £ signálu ^am(t) převodníku druhé derivace je připojen na první vstup třetího kombinačního členu £3. Jeho výstup je spojen přes třetí dolní propust £ ^s druhým vstupem druhého kombinačního členu £2, jehož výstup je přes druhou dolní propust £ připojen na druhý vstup prvního kombinačního členu 11.

Výstup prvního kombinačního členu ££ je spojen s druhým vstupem čtvrtého kombinačního členu £2, jehož výstup je přes integrátor £ spojen s druhým vstupem třetího kombinačního členu 13.

Výstup 8 syntetizovaného signálu x(t) souřadnice je spojen s výstupem prvního kombinačního členu ££, výstup 9 syntetizovaného signálu v(t) první derivace je spojen s výstupem druhého kombinačního členu 12, výstup 10 syntetizovaného signálu a(t) druhé derivace je spojen s výstupem třetího kombinačního členu 13

Funkce zapojení je vysvětlena nejprve za předpokladu, že signál x^ft) převodníku souřadnice a signál ^am(t) převodníku druhé derivace přesně vyjadřují měřené veličiny a že proto platí vztah mezi oběma signály d²x (t)

-5- « a <t) dt^{2 m} (2)

Na výkresu jsou orientačně vyznačeny ve vyobrazení všech dolních propusti £, 2_, £ a horní propusti 2 průběhy asymptotických frekvenčních charakteristik.

Horní propust 2 při nízkých kmitočtech derivuje signál x (t) převodníku souřadnice.

Její výstupní signál v_s(t) přibližně vyjadřuje pomalu se měnící složky první derivace této souřadnice. Třetí dolní propust £ přibližně integruje rychle se měnící složky signálu a_m(t) převodníku druhé derivace za prozatímního předpokladu, že výstupní signál integrátoru £ je nulový, a vytváří signál v_d(t) vyjadřující dynamickou složku první derivace souřadnice. Z druhého kombinačního členu 12 je výsledný signál v(t) = v (t) + v_d(t) přiváděn na výstup 9 syntetizovaného signálu v(t) první derivace. Lze jednoduchým výpočtem ukázat, že za uvedených předpokladů přesně platí vztah

Analogicky je v druhé dolní propusti £ ze syntetizovaného signálu v(t) první derivace integrováním jeho rychle se měnících složek vytvářen signál x^lt) odpovídající dynamické složce souřadnice polohy. Její statické, respektive pomalu se měniči složce odpovídá signál ^xs(t) vytvářený první dolní propustí £ na jejím výstupu. Součtový signál x(t) = x_s(t) + x_d(t) vytvořeny v prvním kombinačním členu 11 a přivedený na výstup 8 syntetizovaného signálu x(t) souřadnice za uvedených předpokladů zcela přesně vyjadřuje souřadnici polohy a platí vztah x(t) = x_m(t) . (4)

Za této zjednodušené situace je rozdílový signál výstupu čtvrtého kombinačního členu £4, nulový, s čímž není v rozporu výše uvedený předpoklad, že signál na výstupu integrátoru £ je nulový.

Stejnosměrné složky skutečného průběhu první i druhé derivace souřadnice polohy, zjištěné v dostatečně dlouhém časovém intervalu, jsou při omezených změnách souřadnice polohy nutně nulové.

Avšak signál ^am<t) reálného převodníku druhé derivace souřadnice polohy obsahujícího například jeden nebo dva piezoelektrické akcelerometry, má zpravidla nenulovou, tj. rušivou stejnosměrnou složku ^amo· Ta přes třetí dolní propust 3 a druhou dolní propust 2_ způsobí po připojení akcelerometrů stejnosměrný posuv signálu x^ft), a tím i posuv syntetizovaného signálu x)t) souřadnice proti signálu (t) měřicího převodníku souřadnice. Vzniklý rozdílový signál na výstupu čtvrtého kombinačního členu 14 se integruje v integrátoru 5. Jeho výstupní signál přiváděný na druhý vstup třetího kombinačního členu 13 se mění tak dlouho, až vykompenzuje stejnosměrnou složku signálu _{přiváděnou na první vstup třetího korabinaSního} členu 13.

Ustálí se stav, kdy střední hodnoty syntetizovaného signálu a(t) druhé derivace a syntetizovaného signálu v(t) první derivace jsou nulové a x(t)»x (t).

Integrátor 2 tedy působí jako pomalý regulátor, který automaticky vyrovnává rušivý vliv stejnosměrného posuvu a měřeného signálu zrychlení na všechny syntetizované signály.

Zpětná vazb$ přes integrátor 2 ^se příznivě uplatňuje i při potlačení pomalu se měničích rušivých složek signálu (t| převodníku druhé derivace, které nesouvicí s měřeným pohybem. Zároveň tato zpětná vazba zajišřuje, že se na syntetizovaném signálu a(t) druhé derivace a zejména na syntetizovaném signálu v(t) první derivace a syntetizováním signálu x(t) souřadnice prakticky neprojeví případné amplitudové a fázové zkreslení signálu a^ft) převodníku druhé derivace v oblasti nejnižších kmitočtů, vznikající například v piezoelektrickém akcelerometrů, samostatně nepoužitelném pro měření velice pomalu se měnících zrychlení. Příznivý účinek uvedené zpětné vazby v oblasti nízkých kmitočtů je tím větší, čím větší je konstatna G integrátoru 2· Rozbor ukazuje, že při stejných hodnotách obou časových konstant X, = Τ_χ = L je stabilita regulace zaručena při splnění podmínky θΤΓ^<2.

Pro volbu Gť' = 1 je například vliv relativní odchylky frekvenční charakteristiky akcelolerometru od ideálního průběhu při kmitočtu 0,1 . , kde f ¢- = 7^77— kmitočet

2lomu frekvenčních charakteristik F^jo?), s zeslaben lOkrát pro syntetizovaný signál a(t) druhé derivace, lOOkrát pro syntetizovaný signál v(t) první derivace a 1 OOOkrát pro syntetizovaný signál x(t) souřadnice.

V horní součásti kmitočtového pásma měřených veličin, nad kmitočtem f^ , převládá vliv signálu a^ít) převodníku druhé derivace, který je v této kmitočtové oblasti méně zkreslen než signál x (t) převodníku souřadnice, jehož vliv na výstupní signály je však příznivě potlačen frekvenčními přenosy F^tjč^) a F^íjto). Například relativní odchylka frekvenční charakteristiky převodníku souřadnice od ideální charakteristiky je při kmitočtu 20 . zeslabena lOkrát pro syntetizovaný signál x{t) souřadnice, 20krát pro syntetizovaný signál v(t) první derivace a 800krát pro syntetizovaný signál a(t) druhé derivace při uvedené volbě ~ i. patřičně jsou zeslabeny i rušivé složky signálu převodníku souřadnice, například zbytky signálu o nosném kmitočtu.

Horní mezní kmitočet spektra všech syntetizovaných signálů je dán dosažitelným poměrně vysokým horním mezním kmitočtem spektra signálu a_m(t) přebodníku druhé derivace a nezávisí na obvykle nižším mezním kmitočtu spektra signálu x^ífc) převodníku souřadnice.

V popsaném příkladu jsou všechny dolní propusti 2< 2' 2 ^a horní propust 2 realizovány jako filtry 1. řádu, jak je patrno ze vztahů (1). Lze použít i dolních propustí 2» 2, 2 a horní propustí £ vyššího řádu. Jejich frekvenční přenosy ale musí vždy splňovat v konkrétním příkladu zapojení podle výkresu podmínky

256894

Avšak impulsní dávkovač 11 je opatřen navíc vstupem 113 pro skončení jeho funkce, který je spojen s příslušným výstupem regulátoru 4_.

Při náhlém poklesu síly F prediktor 10 spustí impulsní dávkovač 11, jehož funkce je automaticky zastavena přes vstup 113 pro ukončení této funkce v okamžiku, kdy regulační odchylka vyhodnocovaná v regálátoru £ se sníží na předem zvolenou hodnotu. Tím je impulsní kompensace náhlé změny deformace stroje řízena v závislosti na velikosti dílčího rozrušení vzorku.

Dávkovač 11 opět obsahuje časovači obvod, který určuje dobu necitlivosti dávkovače na další spouštěcí signály na vstupu 111, čímž je opět dosaženo rozpojení zpětnovazební smyčky v obvodu obsahujícím prvky impulsního kompensátoru deformace zatěžovacího stroje a je opět zaručena nezávislost stability celého systému na dimenzování impulsního kompensátoru.

V příkladu na obr. 3 jsou součástí zatěžovacího stroje dvě setrvačná tělesa a to dolní 20, a horní 2Qjejichž účelem je alespoň přechodně zabránit nežádoucímu snížení deformace zatěžovacího stroje do doby, kdy se uplatní kompensační účinek impulsního akčního členu.

V uvedeném příkladu je impulsní akční člen 12, v sérii s dolní čelistí 51, objektem a horní čelistí 52, umístěn mezi setrvačnými tělesy 20 a 20. Mezi dolní opěrnou plochou rámu _2 a dolním setrvačný tělesem 20 je sevřen přímočarý pohon 3 s výstupním členem 31, mezi horní opěrnou plochou rámu 2 a horním setrvačným tělesem 20' je sevřen snímač 7. síly Z·

Regulátor _4 přes výstup akční veličiny y připojený na vstup 301 pohonu 3_ reguluje pohyb výstupního členu 31 , a tím i skutečnou hodnotu x měřenou snímačem celkové deformace objektu v souladu s žádanou hodnotou w, zcela analogicky s příkladem uvedeným na obr. 1.

Toto uspořádání je zvláště vhodné pro křehké objekty z takových materiálů, u kterých je nutno pro minimalisaci porušení jejich celistvosti zastavením šíření trhliny co nejrychleji snížit skutečnou deformaci oproti hodnotě dosažené před vznikem nebo rozšířením trhliny, jak je tomu například u vzorků některých typů hornin.

Řízení pohonu _3 regálotorem 4. je uskutečněno analogicky s příkladem na obr. 1. Součástí impulsního kompensátoru 14 defromace zatěžovacího stroje je kromě prediktoru 10 a impulsního dávkovače 11 také zdroj .13, energie, který je přes impulsní dávkovač 11 připojen k impulsnímu akčnímu členu 12. Zdroj 13 energie může být s výhodou koncipován jako zásobník potřebného druhu energie s velkým impulsním výkonem. Je-li například impulsní akční clen 12 magnetostrikčního typu, k jehož buzení je potřebný proudový impuls značné velikosti, lze zdroj 13 energie realizovat známými způsoby jako zásobník energie magnetického pole v induktoru nebo zásobník energie v rotujícím nezatíženém generátoru.

Impulsní dávkovač _1_1 potom obsahuje příslušné spínací prvky. Tento zdroj energie může být konstrukčně i funkčně sloučen s impulsním dávkovačem 11.

Jiným příkladem zásobníku energie je hydraulický akumulátor. Při jeho použití impulsní dávkovač 11 s hydrostatickým zánkem přivádí impuls tlakové kapaliny do té komory hydromotorů impulsního akčního členu, při jejímž zvětšování dochází k odlehčování objektu.

Prediktor 10 v příkladě uvedeném na obr. 3 je spojen s akustickým snímačem 9_, přiloženým k objektu 1.. Jedno ze setrvačných těles 20 a 20* může být umístěno i mezi impulsním akčním členem 12 a čelistí 51, není-li požadováno okamžité snížení deformace objektu po vzniku nebo rozšíření trhliny, ale je požadována pouze její krátkodobá stabilizace na původní hodnotě.

Příklady řešení uvedené na obr. 1, 2, 3 lze libovolně kombinovat. Pořadí členů tvořících uzavřený silový obvod je také uvedeno jen jako příklad a lze je měnit. V příkladech nejsou naznačeny takové konstrukční prvky zatěžovacího stroje jako jsou sloupy, příčník apod.

Například při zkoumání nerovnoměrného vratného otáčivého pohybu hmotného pracovního tělesa technologického zařízení s širokým kmitočtovým spekterem působícím momentu stačí na .tomto tělese umístit pouze akcelerometr po měření úhlového zrychlení, kdežto snímač pro snímání informace o pamalých složkách úhlu natočení tělesa lze umístit na vzdálené straně hřídele, na kterém je pracovní těleso upevněno.

Z uvedených příkladů je patrná použitelnost zapojení podle vynálezu v široké oblasti měření a vyhodnocování kinematických veličin jednoduchých i složených pohybů těles vzhledem ke vztažnému tělesu, které lze považovat za klidné ve vhodně zvolené inerciální soustavě nebo vzhledem ke vztažnému tělesu, jehož pohyb vůči inerciální soustavě nelze zanedbat.

Zapojení podle vynálezu lze využít zejména ve strojírenském výzkumu a výrobě, v měřicích a regulačních prostředcích, kterými jsou vybavovány tvářecí, obráběcí a zkušební stroje, například zatěžovací stroje pro vyšetřování křehkého chování vzorků hornin a stavebních materiálů.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Zapojení pro vyhodnocování souřadnice polohy, její první derivace a její druhé derivace ze signálu měřicího převodníku souřadnice polohy a ze signálu měřicího převodníku druhé derivace téže souřadnice polohy, přičemž první signál je zkreslen chybou dynamické složky a/nebo druhý signál je zkreslen chybou statické a/nebo pomalu se měniči složky, vyznačující se tím, že vstupní svorka (6) pro signál x^(t) měřicího převodníku souřadnice polohy je spojena přes první dolní propust (1) s prvním vstupem prvního kombinačního členu (11) a přes horní propust (4) s prvním vstupem druhého kombinačního clená (12) , jehož výstup je přes druhou dolní propust (2) spojen s druhým vstupem prvního kombinačního členu (11), vstupní svorka (7) pro signál a^ťt) měřicího převodníku druhé derivace souřadnice polohy je spojena s prvním vstupem třetího kombinačního členu (13) , jehož výstup je přes třetí dolní propust (3) spojen s druhým vstupem druhého kombinačního členu (12), vstupní svorka (6) pro signál x (t) měřicího převodníku souřadnice polohy je dále připojena na první vstup čtvrtého m kombinačního členu (14) , na jehož druhý vstup je připojen výstup prvního kombinačního členu (11), výstup čtvrtého kombinačního členu (14) je přes integrátor (5) spojen s druhým vstupem třetího kombinačního členu (13), výstupní svorka (8) pro syntetizovaný signál x(t) souřadnice polohy je spojena s výstupem prvního kombinačního členu (11), výstupní svorka (9) pro syntetizovaný signál v(t) první derivace souřadnice polohy je spojena s výstupem druhého kombinačního členu (12) a výstupní svorka (10) pro syntetizovaný signál a(t) druhé derivace souřadnice polohy je spojena s výstupem třetího kombinačního členu (3).