DE3588176T2

DE3588176T2 - Aktives Schwingungsdämpfungssystem

Info

Publication number: DE3588176T2
Application number: DE3588176T
Authority: DE
Inventors: Dale W Schubert
Original assignee: Barry Wright Corp
Current assignee: Hutchinson Aerospace and Industry Inc
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-11-21
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2005-11-22
Also published as: EP0195850B1; JPS61224015A; DE3588040D1; EP0195850A3; CA1248216A; EP0195850A2; EP0468547A2; JPH087633B2; EP0468547A3; EP0468547B1; USRE33937E; IL77057A; DE3588176D1; US4796873A; IL77057A0; DE3588040T2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsdämpfungssystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Bei einem solchen bekannten (FR-A-2 200 457) System ist die auf Bewegung ansprechende Einrichtung zum Erzeugen des Ausgangssignals ein Beschleunigungsmesser, der einen Integrator in einem Erfassungssignalmodizifizierer erfordert, um das Erfassungssignal, das die Beschleunigung der Nutzlast-Masse mißt, in ein Signal umzuformen, das in seiner Größe und seinem Vorzeichen proportional der Absolutgeschwindigkeit der Nutzlast-Masse ist.
Die Kombination eines passiven und eines aktiven Schwingungssteuersystems wurde in einem Dokument von Guntur and Sankar mit dem Titel "Fail-Safe Vibration Control Using Active Force Generators" analysiert, das von der American Society of Mechanical Engineers in the transactions, Journal of Mechanical Design, Paper No. 81-DET-85 veröffentlicht wurde. Die verallgemeinerte Form eines kombinierten aktiven und passiven Systems ist in Fig. 3 dieses Artikels gezeigt und die Übertragungskennlinie eines Geschwindigkeits-Analogkraftrückkopplungssystems ist in Fig. 5 für verschiedene Werte der Verstärkung gezeigt. Die Beschreibung ist bezüglich des theoretischen "sky-hook"- Dämpfers ohne Bezug auf den Fühler zur Ableitung des Geschwindigkeitssignals oder der Erfordernisse zum Erhalten der Stabilität über den Betriebsfrequenzbereich.
Die EP-A-032 158 beschreibt eine Schwingungssteuerung für ein Fahrzeug, die Zylinder zum Unterdrücken der Vertikalschwingung einer Fahrzeugkarosserie benutzt. Erfassungssignale von Schwingungsbeschleunigungsdetektoren werden durch Kompensationsschaltungen kompensiert, deren Ausgangssignale über Verstärker weiter verstärkt werden und dann an Servoventile gegeben werden, die den Innendruck der Zylinder steuern. Die Kompensationsschaltungen haben Übertragungsfunktionen, die das Produkt eines Integrationselementes, eines primären Voreilungselementes und eines primären Verzögerungselementes bilden, um jegliche Spitzen über einen weiten Frequenzbereich im Ansprechen auf die Schwingungsbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schwingungsdämpfungssystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so zu verbessern, daß ein hoher Stabilitätsgrad über den erforderlichen Frequenzbereich beibehalten wird.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Schwingungs-Dämpfsystem, das in Reaktion auf einen Geschwindigkeitsfühler arbeitet, der ein für eine Geschwindigkeit repräsentatives Signal an eine Elektronikschaltung abgibt, die zum Schaffen eines extrem hohen Gewinns bei allen Frequenzen über den sehr niedrigen Frequenzen in der Nähe der Nullfrequenz ausgelegt ist, um eine Instabilität bei allen Frequenzen zu vermeiden, durch Herabsetzen des Gewinns auf im wesentlichen weniger als Eins bei Phasenwinkeln von ±180º. Das System arbeitet in der bevorzugten Form mit Bezug auf ein passives Schwingungsdämpfungs-System und minimalisiert dadurch die Anforderungen an Bestandteile zum Anlegen wesentlicher Kräfte und den zugehörigen Raum- und Kosten bedarf von Leistungsverstärkern für deren Betätigung. Das System isoliert die Nutzlast gegen die Restschwingung, die durch ein übliches passives System übertragen wird, mit einem sich ergebenden absoluten Schwingungswert, der weit unter dem liegt, der durch Übertragung von Grundbewegung oder durch anliegende Trägheitskräfte auf das System übertragen wird.
Das durch Geschwindigkeitsrückkopplungskraft betätigte Schwingungsdämpfungs Steuersystem bewirkt eine Schwingungsübertragungsdämpfung, (d.h. eine Schwingungsdämpfung) bei im wesentlichen allen Frequenzen und die Abwesenheit irgendeiner wesentlichen Resonanzreaktion, was sich aus dem Erreichen eines hohen Stabilitätsgrades bei allen Frequenzen ergibt, so daß Grundschwingungs-Übertragung auf die Nutzlast und ein Schwingungsansprechen auf Impulsbelastungen um eine Größenordnung oder besser verringert werden im Vergleich zu einem passiven Isolieroder Dämpfungssystem mit der gleichen Resonanzfrequenz. Der Ausdruck "passives isoliersystem", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein übliches System, das besonders zum Entfernen von seismischen Schwingungen ausgelegt ist, einschließlich von durch eine industrielle Umgebung eingeführten Schwingungen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im einzelnen anhand der Zeichnungen erläutert, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kombinierten passiven und durch Geschwindigkeits-Rückkopplungskraft betatigten Schwingungsdämpfungs-systems ist.
Fig. 2 ein Teilscheina-Schaltbild einer im System nach Fig. 1 benutzten Signalrückkoppel-Schaltung ist.
Fig. 3 ein Schema-Schaltbild einer vollstandigen Rückkoppelschaltung für das System nach Fig. 1 ist.
Fig. 4 eine Darstellung einer zur Bewegung mit sechs Freiheitsgraden mit entsprechender Aktivkraftanlegung zur Schwingungsdämpfung abgestützten Masse ist
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine entsprechend der Erfindung stabilisierte Plattform mit sechs Freiheitsgraden ist.
Fig. 6 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der Plattform aus Fig. 5 ist.
Fig. 7 eine Übertragbarkeitskurve ist, die das passive Resonanzansprechverhalten und das mit dem aktiven System dieser Erfindung in der Ausführung nach Fig. 5 und 6 erhaltene Ansprechverhalten zeigt.
Fig. 8 eine Ansprechverhaltenskurve für eine Stoßbelastung der Nutzlast im System nach Fig. 5 ist.
Fig. 9 eine Schnittansicht ist, die die Anordnung von Teilen in dem elektromagnetischen Kraftwandler zeigt.
Fig. 10 ein Schema-Schaltbild der Anwendung der Erfindung auf ein pneumatisches Servokraftsystem ist.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird ein geschwindigkeits-rückkoppelkraftbetätigtes Dampfungssteuer-System mit einem Freiheitsgrad beschrieben. Entsprechend der üblichen Darstellung für Schwingungsdampfungs-Analyse besitzt das in Fig. 1 gezeigte System eine Nutzladungsmasse M, 11, die mit Bezug auf einen Stützaufbau 12 durch eine elastische Feder 13 mit einer Federkonstante K und einem Viskose-Dämpfer 14 mit einem Dampfungskoeffizienten c abgestützt ist. Das System ist Störungen unterworfen, welche enthalten: (a) Grundbewegung, die typischerweise durch die Stützstruktur 12 auf die Nutzladungsmasse 11 übertragen wird, und (b) externe, direkt an die Nutzladungsmasse 11 angelegte Kräfte.
Ebenfalls in Fig. 1 ist ein Positions-Rückkoppelsystem gezeigt, das allgemein mit langsamem Ansprechverhalten auf durch eine Größe U bezeichnete Anderungen der Position der Abstützung 12 anspricht und auf durch die Größe X bezeichnete Positionen der Nutzlast 11, die alle in Vertikalrichtung liegen, welche die angenommene Richtung des betreffenden Freiheitsgrades ist, so daß das Ausgangssignal eines Positionsservo 15 die Feder 13 annähernd auf einem vorbestimmten Druckniveau hält. Beispielsweise kann das soweit beschriebene System einen Arbeitstisch beschreiben, der durch ein passives Isolations- (Dämpfungs-)- mittel 13-14 isoliert und auf einem Arbeitspegel gehalten wird, der auf Änderungen des Gesamtgewichts oder dergleichen eingestellt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die durch das Stützsystem 15 abgestützte und passiv durch die Elemente 13 und 14 gedämpfte Nutzlastmasse 11 weiter gegen Schwingungen isoliert, ob sie nun infolge von Schwingungen auftreten, die von der Stützfläche 12 übertragen werden, oder von Stoß- oder Trägheitskräften, die direkt auf die Nutzlastmasse 11 einwirken. Diese weitere Isolierung (Dämpfung) wird erhalten durch einen Geschwindigkeits- Rückkoppelkreis, der zur Schaffung einer Gegenwirkungskraft-Anlegung an die Nutzlastmasse 11 ohne die mit Schwingungen verbundene Instabilität stabilisiert ist, d.h. ein realisierbares System.
Das Grundsystem nach der Erfindung umfaßt einen Geschwindigkeitsfühler 21 zum Entwickeln eines elektrischen Signals, das eine Annäherung an die Geschwindigkeit der Nutzlastmasse 11 in Richtung des Freiheitsgrades der Bewegung darstellt. Das Geschwindigkeitssignal wird über eine elektronische Schaltung 22 angelegt, welche die notwendige Übertragungsfunktion zum Steuern einer Kraftanlegeeinheit 23 schafft, welche eine Kraft Fv an die Nutzladungsmasse M anlegt. Die Rückkopplung vom Fühler 21 durch die Schaltung 22 zur Krafterzeugungseinheit 23 ist negativ, so daß das Anlegen der Kraft Fv die Geschwindigkeitskomponente auszugleichen trachtet, welche das Ausgangssignal vom Wandler 21 erzeugt.
Die Auswahl des Geschwindigkeitsfühlers 21 kann an sich unter verschiedenen bekannten Geräten wie Versatz-, Geschwindigkeitsund Beschleunigungs-Fühler getroffen werden, wobei ein Versatzmessungswandler erfordern würde, daß die gemessene Größe differenziert werden muß, um die Geschwindigkeit zu erhalten, und der Beschleunigungs-Messer eine Integration erfordern würde, um eine Geschwindigkeitsgröße zu erhalten. Beide Fühler, die diesen weiteren Bearbeitungsschritt erfordern, besitzen andere Begrenzungen in Bezug auf die Empfindlichkeit und den Ansprech- Schwellwert. Erfindungsgemäß ist die bevorzugte Form des Wandlers 21 eine als Geschwindigkeitsfühler-Geophon bekannte Einheit.
Auf Geschwindigkeit ansprechende Geophone messen die Relativgeschwindigkeit zwischen der Basiseinheit oder dem Gehäuse des Fühlers und einer aufgehängten Masse, welche die Festmasse genannt wird. Der Fühler besteht aus einer Drahtwicklung, welche viele Windungen sehr feinen Drahtes enthält, die an sehr linearen und nachgiebigen Federn innerhalb eines Magnetfeldes aufgehängt sind, das durch eine Anordnung aus einem Kern und einem Permanentmagneten geschaffen wird. Die zu messende Bewegung ist die Geschwindigkeit der Nutzladung 11.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß der elektromagnetische Fühler tatsächlich die Relativgeschwindigkeit der Festmasse relativ zum Gehäuse mißt. Die Relativbewegung der Festmasse und des Gehäuses werden durch die Dynamik der aufgehängten Masse bestimmt.
Die Ausgangsspannung Ev des Geophons ist proportional zur Relativgeschwindigkeit des Geophongehäuses zur der Geophonwicklung (Festmasse). Wie der Fachmann auf diesem Gebiet leicht versteht, kann die elektrische Ansprechspannung des Fühlers mathematisch unter der Laplace'schen Notation wie folgt angenähert werden:
wobei
β Gewinn in Volt pro cm pro 5 und der abgeleitet ist durch die Geophon-Eichung.
S Laplace Operator.
X Verschiebung des Geophongehäuses.
Z Verschiebung der Festmasse.
S (X-Z) Relativgeschwindigkeit der Festmasse zum Geophongehäuse.
ξg Geophon-Bruchteil der kritischen Dämpfung.
Wg Resonanzfrequenz der Festmasse.
Die Geophon-Ausgangssignal-Ansprechvektorgröße und der zugehörige Phasenwinkel θ sind auf die aktuelle Geschwindigkeit des Geophongehäuses bezogen, die zu messen ist, SX. Durch Wandeln der Gleichung (I) in die Frequenzebene kann das aktuelle Geophon-Ausgangssignal für unsere Zwecke festgestellt werden als (wobei SX X in dem Zeitbereich darstellt):
wobei w Frequenz
zu messende Geschwindigkeit
Gleichung (II) ergibt die Ausgangsvektorgröße, und
Gleichung (III) ergibt den zugehörigen Phasenwinkel.
Die vorstehend angegebenen Frequenzansprech-Gleichungen zeigen an, daß das Geophonansprech-Ausgangssignal bei der Resonanzfrequenz ggf. eine Spitze haben kann, wenn der Bruchteil der kritischen Dämpfung gering ist. Der Bruchteil der kritischen Dämpfung wird beeinflußt durch die Größe der viskosen Dämpfung. Die viskose Dämpfung, die zum Steuern des Ausgangsansprechverhaltens bei der Resonanzfrequenz vorgesehen ist, kommt von zwei Quellen. Zunächst besitzt die Festmassenspulen-Federung eine natürliche Eigendämpfung, die durch Wirbelströme verursacht wird, welche bei der Bewegung der Spule in dem Magnetfeld fließen. Diese Eigendampfung ist nicht gering und läßt typischerweise einen Bruchteil der kritischen Dämpfung von etwa 0,3 entstehen. Zusätzliche Dämpfung wird leicht hinzugefügt durch Ansetzen eines Widerstandes über den Ausgang des Geophons. Die Anwesenheit des Dampfungswiderstandes läßt Strom durch die Drahtspule fließen, wenn Spannungen durch eine Bewegung der Spule im Magnetfeld induziert werden. Das Ausmaß dieser zusätzlichen Dämpfung kann ziemlich groß sein. Vorzugsweise wird der Dämpfungswiderstand so gewählt, daß der Gesamtbruchteil der kritischen Dämpfung Eins ist, oder ξg = 1,0. Mit diesem Einheitswert wird die Ausgangsspannung keinen Resonanzgipfel zeigen und einen glatten Kurvenübergang in den Betriebsbereich über der Frequenz w = wg aufweisen. Zusätzlich kann bei ξg = 1,0 die in Gleichung (I) gegebene Gleichung in zwei Pole zerlegt werden, wie nachstehend gezeigt:
Wichtig ist, daß das Geophonausgangs-Ansprechverhalten, das durch diese Übertragungsfunktion der Gleichung (IV) vorgezeichnet wird, nicht, wie man sehen kann, gleich dem Produkt aus Verstärkung und gemessener Gehäusegeschwindigkeit ist. Dieses Produkt wird weiter multipliziert durch den in Klammer gesetzten Term, um eine genauere und besser brauchbare Annäherung des tatsächlichen Geophon-Ausgangssignals zu erhalten. Diese Übertragungsfunktion in ihrer Faktorform kann benutzt werden, um ein elektrisches Bearbeitungsnetz auszulegen, dessen Ausgangssignal zurückgeführt werden kann, um eine aktive Schwingungsdämpfung zu schaffen. Ein derartiges Netz wird später beschrieben.
Handelsübliche Geophone schließen eine breite Vielzahl von Einheiten mit einem breiten Bereich von Signalfähigkeiten, Frequenz-Ansprechverhalten und Kosten ein. Typischerweise sind die Modelle für die niedrigsten Frequenzen die teuersten. Für Anwendungen gemäß der Erfindung ist es erwünscht, sowohl eine geringe Größe wie relativ niedrige Kosten zu bekommen. Es sind Geophone zum Erfassen von Geschwindigkeit im Handel erhältlich, die Ansprechmerkmale besitzen, wie sie mathematisch in Gleichung (IV) beschrieben sind. Ein geeignetes Geophon ist das von der Geo Space Corporation, Houston, Texas hergestellte Modell HS-1.
Der andere für das Kraftbetätiger-System erforderliche Wandler ist die Krafterzeugungseinheit 23 nach Fig. 1. Eine praktische Form dieses Betätigers ist eine modifizierte Hifi-Lautsprecher- Anordnung, die nach ihren Kenndaten und ihrer Verfügbarkeit ausgewählt wird zum Betätigen durch eine Steuersystem-Schaltung mit üblichen integrierten Schaltelementen. Unter Beachtung dieser Anforderungen wurde eine Anordnung wie die in Fig. 9 gezeigte benutzt. Fig. 9 zeigt eine übliche Lautsprecher- Magnettonspulen-Anordnung, die einen Stahlkern 91, einen permanenten Ferritmagneten 92 und ein ringförmiges Stahljoch 93 umfaßt, der mit der nach oben stehenden Fortsetzung des Kerns 91 einen Luftspalt 94 bildet. Zur Bewegung innerhalb des Luftspaltes 94 ist ein nicht-metallischer Zylinder 95 angebracht, auf welchen eine mit vielen Windungen ausgestattete Wicklung 96 gewickelt ist. Der Aufbau sollte schaffen:
1) ein einem Eingangsstrom proportionales Kraftausgangssignal,
2) im wesentlichen reibungslose Bewegung in allen Bewegungsachsen,
3) nur wenig hinzugefügte Federsteifigkeit zu den Federraten, die durch das passive Schwingungsisolier-System geschaffen sind.
Ein als integrierte Schaltung ausgeführter Leistungsverstärker kann die Anforderung nach linearem Ansprechverhalten erfüllen, die vorstehend als (1) angegeben ist. Diese als integrierte Schaltungen ausgeführten Leistungsverstärker sind klein und kostengünstig und zum Einsatz sehr geeignet, wenn es möglich ist, sie als End-Leistungsausgangsstufen der elektronischen Schaltung eines Steuersystems einzusetzen. Für Leistungspegel über 12 Watt oder 2 Ampere Ausgangsstrom müssen diskrete Leistungsverstärker aus einzelnen Leistungstransistoren aufgebaut werden, was in hohem Maße zur Komplexität und zu den Kosten der elektrischen Steuersystem-Schaltung beiträgt. Anforderung Nr. 2 ist sehr wichtig, da Reibungskraftpegel als Kraftrauschquellen wirken können, was zu einem höheren Nutzladungs-Ausgangsansprechpegel führt. Vielleicht kann dies am besten anhand eines Beispiels verstanden werden; so sei angenommen, daß eine Nutzladung von 45,4 kg (100 pd) benutzt werde, und ein Betätiger zur Krafterzeugung mit einer Reibungskraft von beispielsweise 1/45,4 (100) bei einem kg (pd) kann Schwingungsbeschleunigungs-Ansprechpegel am Systemausgang nicht steuern unter dem Beschleunigungspegel in G-Einheiten von Ag = F/W = 0,01/100 oder 10&supmin;&sup4; g-Einheiten. Der gewünschte Ansprechpegel der gedämpften Nutzladungs beträgt jedoch 1 Mikro-g (ug) oder weniger. Um einen Schwingungspegel von weniger als 1 Mikro-g zu erreichen, muß der Reibungspegel des Betätigers kleiner als 10 x 10&supmin;&sup6; kp (pd) pro 45,4 kg (100 pd) Nutzladungsgewicht sein, auf die der Betätiger einwirkt. So ist die Anforderung an Reibungsarmut für den Kraftbetätiger extrem hoch, im wesentlichen muß der Betätiger reibungslos arbeiten.
Die wirksamste Weise, einen im wesentlichen reibungslosen Kraftwandler zu erzeugen, ist die Benutzung einer aus Magnet und Spule bestehenden Anordnung von einem Hochqualitäts-Lautsprecher mit einem breiteren Spalt als normal, in der sich die Spule bewegt. Ein Beispiel, das annehmbar arbeitet, ist ein Magnet, der bei einem 25,4 cm (10") HiFi-Woofer-Lautsprecher benutzt wird. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird verstehen, daß ein handelsüblich bearbeiteter Lautsprecher zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung angepaßt werden muß. Beispielsweise muß die vorhandene Spaltbreite vergrößert werden.
Nach der Magnetisierung wurde eine Tonspule in das Magnetfeld eingesetzt, um einen Eichskalen-Faktor für den Kraftbetätiger zu erhalten. Der Eichskalen-Faktor ist ein wichtiger Auslegungs-Parameter, der den Gesamtschleifengewinn und die maximalen Kraftmöglichkeiten für den Betätiger ergibt. Typischerweise können derartige Betätiger eine Kraft von 0,9 kp (2 pd) pro Ampere Eingangsstrom schaffen.
Bei dem Zusammenbau eines geschwindigkeits-rückgekoppelten kraftbetätigten Schwingungsdämpfungs-Steuersystems kann entweder der Magnet oder die Spule starr an der Nutzladüng angebracht werden, wobei die jeweils andere Komponente starr an dem Schwingungsdämpfungs-System oder dem Aufbau angebracht ist.
Nach der Diskussion des Erfassungs- und Betätigungsmittels ist es nun an der Zeit, den Betrieb des Schwingungdämpfungs-Systems zu diskutieren. Kritisch für den gewünschten Betrieb ist ein realisierbares System. Dieser gemeinhin in der servomechanischen Analyse verwendeter Ausdruck bezeichnet die Bedingung, in der das System stabil ist. Um die Systemstabilität zu bestimmen, ist es notwendig, die rückkopplungsfreie Übertragungsfunktion des Systems zu analysieren und zu modifizieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stabilität der Geschwindigkeitssignal-Rückkoppelschleife sichergestellt durch Auswählen der Übertragungsfunktion des Netzes 22, das das Geophon 21 mit dem Kraftwandler 23 verbindet. Die Stabilität in solchen Systemen kann analysiert werden durch Öffnen der Schleife und Bestimmen der Ausgangsspannung E&sub0; in Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung Ein, wie in Fig. 1 gezeigt, und dieses Verhältnis wird die Übertragungsfunktion bei offener Schleife genannt. Der Schalter 24 ist in Fig. 1 dargestellt zum Zwecke dieser Analyse, und ist normalerweise in einem tatsächlichen System nicht erforderlich.
Wenn das Netz 22 eine Übertragungsfunktion besitzt, die lediglich einen Verstärker mit hohem Faktor darstellt, ergibt sich Instabilität. Diese Instabilität ist allgemein von außerordentlich hoher Verstärkung und einer Phasenverschiebung von ±180º bei irgendeiner Betriebsfrequenz begleitet. Die durch den Geschwindigkeitsfühler 21 erfaßte Geschwindigkeit wird die verstärkte Schwingung infolge der Resonanzstelle der passiven Schwingung des Dämpfungssystems 13-14 enthalten, und diese Frequenz liegt im allgemeinen nahe der Resonanzfrequenz des Geophons 21 selbst. Das Finden der richtigen Übertragungs funktion für das Netz 22 erfordert einen Ausgleich für diesen Effekt.
Eine Anlyse der Beziehung zwischen Phase und Verstärkungsfaktor (Gewinn) zeigt, daß der Gewinn und die Phasenverschiebung bei Resonanz des passiven Schwingungsdämpfungs-Systems bei einer Frequenz auftritt, die etwas niedriger als die Eigenfrequenz des Geophons liegt. Das Geophon ist sehr hoch gedämpft, wie es vorher erklart wird, mit ξ = 1,0, und hat so keine Resonanzverstarkung. Falls die Resonanzfrequenz des Geophons beträchtlich unter der Resonanz des passiven Systems gesetzt werden könnte, beispielsweise um eine Dekade, ware der Stabilitätszustand sehr verschieden. Bei einer Geophon-Resonanz, die eine Dekade oder so niedriger in der Frequenz liegt als die Resonanz des passiven Systems, geht die Offenschleife-Übertragungsfunktion durch einen Phasenverzug von nahezu 180º gegenüber den Frequenzen, bei denen Gewinne von mehr als Eins existieren, und lassen es dadurch zu, daß die Offenschleifen-Übertragungsfunktion durch den Phasenpunkt ±180º mit einem Verstärkungsfaktor gehen, der wesentlich kleiner als Eins ist. Typischerweise wurde der Verstärkungsfaktor an diesem Punkt bei etwa 0,3 gehalten.
Bei einer niedrigen Resonanzfrequenz des Geophons gegenüber der Resonanz des passiven Systems kann viel mehr Verstärkungsfaktor angewendet werden, und es ist immer noch ein stabiles System. Im allgemein ist das Ausmaß der Schwingungsisolation um so höher, je höher der Geschwindigkeits-Rückkoppel-Verstärkungsfaktor ist. Der höchstmögliche Verstärkungsfaktor wird gesucht, der immer noch ein stabiles und sich gut verhaltendes aktives Schwingungsdämpfungs-Steuersystem ergibt.
Der Vorfgang des. Schließens der Schleife und des Erhaltens eines höheren Gewinns wird Stabilisierung genannt. Dies zu tun, erfordert ein Einwirken auf das elektrische Signal des Geophons mit linearen oder nicht-linearen elektrischen Netzen, wie nun beschrieben wird.
Wieder mit Bezug auf Fig. 1 kann die Übertragungsfunktion des Geophons F(S), wie nachstehend gezeigt, für die Bedingung, daß die kritischen Dämpfung ξg = 1,0 ist, faktoriert werden:
Man lasse den Ausdruck wg oder die Geophon-Resonanzfrequenz ausgedrückt sein als eine Zeitlänge, die eine Zeitkonstante genannt wird, so, daß Tg = 1/wg. Einsetzen dieses Terms in die Geophon-Übertragungsfunktion und Umordnen der Terme ergibt den Ausdruck:
Eine modifizierte Übertragungsfunktion kann erhalten werden durch Einspeisen des elektrischen Geophon-Signals über ein elektronisches Netz wie das in Fig. 2 gezeigte. Dieses Netz besteht aus zwei Nachlauf/Voreil-Netzen, die beispielsweise zwei Operationsverstärker 25, 26 benutzen mit Rückkoppelnetzen, die aus den beiden Widerständen RF und RG und dem Kondensator C bestehen.
Die Übertragungsfunktion g(S) = Eout/Ein für die Schaltung in Fig. 2 wird nun bestimmt.
In dieser Schaltung können RF, RG und C so gewählt werden, daß der Wert RpC (wobei Rp der Parallelwiderstand aus dem Rückkoppel-Widerstand RF und dem Erdwiderstand RG ist) gleich der Geophon-Zeitkonstanten Tg ist. Zusätzlich wird der Wert RF so ausgewählt, daß RFC einen zehnmal größeren Wert als RpC hat. Mit diesen Werten kann die Übertragungsfunktion für die elektronische Kompensationsschaltung 22 angenähert werden als:
Setzt man nun die obige Übertragungsfunktion g(S) in Reihe mit dem Geophon-Ausgangssignal, so ergibt sich die nachstehend gezeigte kompensierte Geophon-Übertragungs funktion:
die sich durch Pol-Null-Ausgleich vereinfacht zu:
Das kompensierte Ansprechverhalten des Geophons ist nun genau äquivalent dem eines Geophons mit einer Resonanzfrequenz, die zehnmal niedriger als der tatsächliche Wert liegt. Mit dem Hinzufügen des Geophon-Kompensators findet die Phasenverschiebung des Rückkoppel-Signals vor der Resonanzfrequenz und der Bewegungsverstärkung des passiven Systems statt, und so hat das gesamte Steuersystem nun einen niedrigen Gewinn, wenn der Phasenwinkel in der Nähe von ±180º liegt, und einen hohen Gewinn, wenn der Phasenwinkel in der Nähe von 0º ist. Der niedrige Gewinn wurde beispielsweise so niedrig wie 0,35 und der hohe Gewinn bei mehr als 10 gehalten.
Die Rückkoppel-Schaltung, wie sie für Fig. 2 analysiert wurde, wurde auf das Geschwindigkeitskraft-Rückkoppelsystem der Fig. 1 angewendet mit weiteren Abwandlungen, wie nun mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird.
In Fig. 3 sind das Geophon 21 und der Kraftbetätiger 23 identifiziert als die vorher in Fig. 1 beschriebenen Elemente. Die Spule des Geophons 21 ist über einen Dämpfungswiderstand 31 geschaltet, wie vorher beschrieben. Das gedämpfte Ausgangssignal des Geophons 21 ergibt ein Eingangssignal für einen Operationsverstärker 32, dessen Ausgangssignal an ein Potentiometer angelegt wird, dessen Abgriff den anderen Eingang des Operationsverstärkers 32 versorgt, wodurch der Gewinn des Geschwindigkeitssignals gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Gewinnsteuerungs-Operationsverstärkers 32 wird über ein Erstnachlaufnetz 33 einer ersten Nachlauf/Voreil-Schaltung 35 zugeführt, welche der Schaltung 25 aus Fig. 2 entspricht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 35 wird einem ersten Voreilnetz 34 angelegt, welches ein Eingangssignal zu einem Operationsverstärker 36 liefert, der dem Verstärker 26 aus Fig. 2 entspricht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 35 wird durch ein zweites Vorlaufnetz 37 geleitet zu einer dritten Nachlauf/Voreil-Schaltung 38 (gleichartig zu 35 und 36), deren Ausgangssignal durch ein zweites Nachlaufnetz 39 hindurchtritt. Das Ausgangssignal vom Netz 39 wird als Eingangssignal zu einem Leistungsverstärker 40 geführt, der wiederum die Spule des Kraftwandlers 23 ansteuert.
Wie in Fig. 3 zu sehen, enthält die bevorzugte Rückkoppel- Schaltung drei Phasendrehelemente. Während die Hinzufügung der in Fig. 2 gezeigten Geophon-Kompensation viel mehr Geschwindigkeits-Rückkoppelverstärkung schafft, hat sich durch Experimente gezeigt, daß das Hinzufügen einer dritten Nachlauf/Voreil- Kompensationsstufe 38 in Fig. 3 das Anwenden von noch mehr Gewinn zuläßt. Es ist wichtig, daß das zusätzliche Phasendrehelement die Gesamtsteuersystemresonanz-Übertragbarkeit auf noch kleineren Werten von etwa 1,10 (wie in Fig. 7 gezeigt) hält, verglichen mit der Zweielemente-Schaltung.
Der bei dem Steuersystem benutzte Rückkoppel-Gewinn ist mittels des Potentiometers 42 einstellbar und kann so gesetzt werden, daß der Gewinn bei einer Phasenverschiebung von ±180º, die Gewinngrenze genannt wird, 0,35 ist, und die Phasenverschiebung bei Gewinn 1, Phasengrenze genannt, ±45º von ±180º beträgt. Unter diesen Bedingung ist der Grundsystem-Stabilitätszustand ausgezeichnet. Bei hohen Frequenzen, wenn kleinere Resonanzen in einem Teil des gesamten Systems eine Gewinnverstärkung und nahezu unstabile Zustände verursachen können, setzen die Nachlaufnetze 33 und 39 in der Rückkoppelschleife den Schleifengewinn über 200 Zyklen pro 5 herab. Zusätzlich wird der hohe mit den Nachlauf/Voreil-Netzen verbundene Gleichstromgewinn, der große Gleichstrom-Versatzspannungen infolge von Fehlern im Gleichstrom-Betriebspegel der Operationsverstärker verursacht, durch die beiden Voreil-Netze 34 und 37 vermieden, die in Reihe mit der Rückkoppelschleife gesetzt sind, um Gleichstrom-Signale und solche bei sehr niedrigen Frequenzen zu sperren.
Nach Fig. 4 besitzt eine als eine Plattform 41 zur Schwingungsdämpfung benutzte Masse sechs Freiheitsgrade. Diese sechs Freiheitsgrade sind in Fig. 4 als Bewegungen entsprechend Vertikalbewegung, Rollbewegung (Drehen um die horizontale Längsachse), Stampfen (Drehen um die horizontale Querachse), Bewegung längs der horizontalen Längsachse, Bewegung längs der horizontalen Querachse und Gieren (Drehen um die Vertikalachse) gezeigt. Alle möglichen Bewegungen der Masse können beschrieben werden durch Bewegungen in diesen sechs Freiheitsgraden als Verschiebung längs und Drehung um die drei zueinander senkrechten Achsen.
Das Erreichen eines niedrigen Schwingungspegels für die Plattform 41 unter Benutzen eines aktiven Schwingungs-Dämpfungssystems erfordert aktive Schwingungs-Dämpfung mit Steuern aller sechs Freiheitsgrade. Das kann getan werden durch Benutzen von drei unabhängigen Verschiebungs-Steuersystemen und drei unabhängigen Dreh-Steuersystemen. Jedoch sind Dreh-Steuersysteme schwer mechanisch auszulegen, sowohl vom Standpunkt des Fühlers wie von dem des Betätigers aus. So werden nur Translations- Steuersysteme benutzt, um das gleiche Ziel der Steuerung aller sechs Freiheitsgrade zu erzielen. In Fig. 4 sind typische Punkte zur Anwendung für sechs Linearkraftbetätiger 1, 2, 3, 4, 5 und 6 gezeigt. Jede Kraftbetätigung ergibt sich aus einer Kombination von Betätiger und Fühler (Sensor) und entspricht einem Kanal. In Fig. 4 steuern die Kanäle 1 und 2 einen Teil der Vertikalachse und die gesamte Stampfachse. Die Kanäle 1, 2 und 3 steuern die gesamte Vertikalachse und die gesamte Roll- Achse. Der Kanal 4 steuert die horizontale Längsachse und die Kanäle 5 und 6 steuern kombiniert die gesamte horizontale Querachse und die gesamte Gier-Achse.
Idealerweise sind Bewegungen in irgendeiner Achse vollständig unabhängig von anderen Bewegungen in anderen Achsen, wie beispielsweise, wenn eine Verschiebung an den vertikalen Achsen 1, 2 und 3 kombiniert auftritt, keine anderen Bewegungen oder Drehungen an irgendeiner anderen Achse erfolgen. Diese Unabhängigkeit der Freiheitsgrade ist jedoch nahezu unmöglich in einem System in der realen Welt zu erreichen. Bei einem tatsächlich aufgebauten System sind die drei Vertikalkanäle insoweit nahezu unabhängig, daß eine kombinierte Bewegung der Kanäle 1, 2 und 3 eine fast reine Vertikalverschiebung mit geringer Horizontal- oder Drehbewegung erzeugt. Eine Steuerung des Stampfens und Rollens geht auch ziemlich gut insoweit, als die kombinierten Bewegungen der Kanäle 1, 2 und 3 zur Erzeugung nur einer Stampf- oder Rollbewegung allgemein wenig Bewegung für Gieren oder in den beiden horizontalen Richtungen erzeugen. Jedoch ergibt eine durch die Betätiger in den Kanälen 4, 5 und 6 erzeugte Bewegung Achsenkopplung, da die Bewegung des Kanals 4 einen Stampfanteil und die Bewegung der beiden Kanäle 5 oder 6 etwas Roll-, wie auch etwas Gier-Bewegung schafft. Die örtliche Anbringung der Kraftbetätiger in der horizontalen Ebene wurde so ausgewählt, daß sie auf Stellen an der Nutzladungsmasse einwirken, die den Kopplungseffekt gering halten.
Eine andere Form von Kopplung wird durch Schwerkraft erzeugt und besteht nur in den horizontalen Kanälen. Wenn ein horizontales Geophon vom Typ HS-1 genau bezüglich der Schwerkraft eben liegt, gibt es keine in der horizontalen Richtung wirkende Schwerkraft. Wenn jedoch eine Roll- oder Stampfbewegung stattfindet, tritt eine Beschleunigungs-Komponente in der nahezu horizontalen Ebene der Geophon-Ansprechachse auf.
Bei kleinen Drehwinkeln A der Geophon-Ansprechachse ist der Sinus des Winkels A nahezu gleich dem Winkel A selbst oder A = sin A. So hängt das Ausgangssignal des Geophons ab von der erfaßten Geschwindigkeitsbewegung in seiner eigenen Ebene plus einigen Signalen, die durch Schwerkraft erzeugt werden beim Auftreten von Drehungen in einer horizontalen Ebene.
Dieser Kopplungseffekt erzeugt Stabilitätsprobleme für die horizontalen Kanäle, da Steuerbewegungen eines vertikalen Kanals sich mit horizontalen Fühlern koppeln, wenn Stampfen oder Rollen auftritt, und falsche Signale verursachen. Damit besteht eine Wechseleinwirkung zwischen vertikalen und horizontalen Kanälen nur infolge Schwerkraft, muß aber trotzdem behandelt werden. Die gewählte Lösung war, das Niederfrequenz- Ansprechverhalten der horizontalen Kanäle 4, 5 und 6 zu begrenzen durch die Verwendung von höherfrequenten, Gleichstrom blockierenden Voreilnetzen 43, 44 in Fig. 3 mit einer höheren Resonanzfrequenz, wie auch einem niedrigeren Gesamtschleifengewinn im Vergleich zu den vertikalen Kanälen, wie der Fachmann auf diesem Gebiet verstehen wird.
Wendet man sich nun Fig. 5 und 6 zu, so sind hier die Draufund Seitenansichten einer Ausführung der Erfindung mit sechs Freiheitsgraden gezeigt. Die Nutzladung ist eine Tischarbeitsfläche 61, die in einem Rahmen 62 durch vier passive, jedoch höhengeregelte Schwingungsdämpfungselemente 63 abgestützt ist, die allgemein in der Nähe der Ecken des Arbeitstisches 61 sitzen.
Sechs Geschwindigkeitserfassungs-Geophone 64, 65, 66, 67, 68 und 69 sind an dem Tisch 61 angebracht, wobei ihre Bewegungsachsen zum Erfassen der Einzelkomponenten der sechs Freiheitsgrade ausgerichtet sind.
Zwischen dem Rahmen 62 und dem Tisch 61 ist eine Vielzahl von Kraftbetätigern des mit Bezug auf Fig. 9 beschriebenen Typs angebracht. So sind, wie in Fig. 5 gezeigt, zwei Betätiger 71 und 72 so angesetzt, daß sie die Verschiebung längs der Querachse Y und Gieren steuern. Vier Vertikalkraftbetätiger 73, 74, 75 und 76 sind vorgesehen zum Steuern der Vertikalbewegung und Stampfen und Rollen, und es ist ein Betätiger 77 so angesetzt, daß er die Bewegung längs der Längsachse Y steuert. Es ist zu bemerken, daß in Fig. 5 und 6 sieben Kraftbetätiger vorhanden sind, einer mehr als mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Dies stellt nur das Zuordnen des Signalansprechens von der Bewegung im dritten Kanal zwischen den beiden Betätigern 73 und 75 dar statt der in Fig. 4 angezeigten Schwenkbewegung. So arbeiten die Betätiger 73 und 75 gemeinsam bei dem gleichen Signal, das bezüglich der bei der Schaltung nach Fig. 5 beschriebenen Signale abgewandelt ist in einer für den Fachmann offensichtlichen Weise.
In Fig. 7 ist die Übertragungsfähigkeitskurve der in Fig. 6 gezeigten Ausführung als Meßergebnis in Kurve 81 gezeigt, mit einer Vergleichskurve 82, welche die Übertragungsfähigkeitskurve des passiven Dämpfungssystems allein zeigt. Wie gesehen wird, zeigt die Kurve 82 eine Eigenresonanz bei ca. 3Hz, wo die übertragene Bewegung tatsächlich um einen Faktor von fast 10 verstärkt wird. Dieses bei allen passiven Systemen auftretende pHänomen ist es, das die vorliegende Erfindung wirksam vermeidet. Wie in Kurve 81 zu sehen, wurde die Resonanz des Systems auf eine Frequenz von etwa einem Zehntel vermindert, die nun irgendwo in der Nähe von 0,4 Hz auftritt, und ihre Amplitude ist in hohem Maße reduziert, sie ist nun annähernd 1,1. Danach reduziert die durch das aktive Kraft/Geschwindigkeits-Rückkoppelsystem der Erfindung geschaffene Dämpfung die prozentuale Durchlässigkeit gut unter 1,0 und tatsächlich beträgt sie 0,1 des bei Resonanzfrequenz nur des passiven Systems auftretenden Wertes. Die Kurve 81 stellt das Ansprechverhalten dar, wenn sowohl passives wie aktives System vorhanden sind, und ist daher das durch die Erfindung tatsächlich erreichte Resultat. Wie zu sehen, setzt die Kurve 81 die Reduzierung der Prozentdurchlässigkeit weiter fort, bis sie irgendwo in dem Bereich von 30 Hz in die Dämpfung. einläuft, die durch das passive System allein geschaffen wird.
In Fig. 8 ist ein typisches Beispiel der Ergebnisse aufgezeichnet, die mit der in Fig. 6 beschriebenen Ausführung der Erfindung erzielt werden. Die obere Kurve 83 in Fig. 8 stellt das Ansprechverhalten des kombinierten passiven und aktiven Systems der Erfindung auf eine Stoßbelastung von 1,7 cm.kp (1,5 inchpound) dar, wie in jenem Fall eines Gummiballs auf eine Nutzlast von 22,5 kg (50 pd) nach Fig. 5. Die in Fig. 8 gezeigte Kurve 84 stellt das Ansprechverhalten nur des passiven Systems auf die gleiche Stoßbelastung dar. Man wird bemerken, daß die anfängliche Ablenkung bei den Kurven 83 und 84 annähernd gleich ist, daß jedoch die Erholungszeit bei dem aktiven System, das gemäß Kurve 83 arbeitet, viel kürzer ist und eine wesentlich kleinere Amplitude als die in Kurve 84 gezeigte Schwingungsablenkung auftritt. Wie aus Kurve 83 zu ersehen ist, zeigt ein erfindungsgemäß aufgebautes Schwingungsdämpfungs-System eine kurze Rückführzeit, die sich aus den durch die Rückkopplung erzeugten großen Dämpfungskräften ergibt. Die erhöhte Systemdämpfung ergibt nicht nur eine überlegene Schwingungsdämpfung im Vergleich mit typischen passiven Systemen, sondern reduziert auch in hohem Maße die Systemnutzlast-Ansprechbewegungen, die sich aus auf die Nutzlast übertragenen äußeren Kräften ergeben.
Immer wenn eine Nutzlast so geartet ist, daß sie eine Kraft von mehr als ca. 0,9 kp (2 pd) erfordert, um extern angelegten Kräften entgegenzuwirken, wird die Verwendung von elektromagnetischen Kraftwandlern, wie sie mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben sind, teuer und schließlich unpraktisch. Dann können andere Arten von Kraftbetätigungsmitteln dafür eingesetzt werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. In Fig. 10 ist ein pneumatisches System gezeigt, bei dem eine Nutzlast 101 durch einen Kolben 102 abgestützt wird, der mit Membranen 103 in oberen und unteren Druckzylindern 104 bzw. 105 frei aufgehängt ist.
Der Druck innerhalb der Zylinder 104, 105 wirkt auf die gleichen oberen und unteren Flächengrößen des Kolbens 102 ein, um die Bewegung des Kolbens 102 auf die Nutzlast 101 anzuwenden. Dieser Druck wird durch ein Strömungssteuer-Servoventil 106 gesteuert, welches den Differenzdruck an den Kolben 102 anlegt, um diesen zu bewegen.
Das Strömungssteuer-Servoventil 106 wird durch ein Servosystem gesteuert, welches einen Kraftbefehls-Signaleingang an Leitung 107 umfaßt, entsprechend dem endgültigen Geschwindigkeits- Fühlersignal, das in einem Differentialsummierungs-Gerät 108 mit einem Signal verglichen wird, welches den von einem Differenzdruckwandler 109 erhaltenen Differenzdruck in den Zylindern 104 und 105 darstellt. Irgendeine Abweichung der durch das Geschwindigkeitssignal an Leitung 107 verlangten Position gegenüber der durch den mittels der Einheit 109 erfaßten Differentialdruck eingerichteten Position ergibt ein Ausgangsfehlersignal, das an ein Übertragungsfunktionsgerät 110 und einen pneumatischen Verstärker 111 angelegt wird, um das Servoventil 106 zu steuern. Das System nach Fig. 10 legt so eine Kraft vom Kolben 102 an die Nutzlast 101 an, entsprechend den Anforderungen des Geschwindigkeitssignals an Leitung 107, um die bei der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ergebnisse dann zu erreichen, wenn höhere Kraftwerte erforderlich sind.

Claims

1. Aktives schwingungsdämpfungssystem mit:

einer Nutzlast-Masse (11);

einer Basis (12);

einem passiven Dämpfungssystem (13,14) mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, das die Nutzlast-Masse (11) auf der Basis (12) trägt;

einer auf Bewegungen ansprechenden Einrichtung (21) mit einer Resonanzfrequenz zum Fühlen einer Schwingungsbewegung der Nutzlast-Masse (11) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, aus dem ein Wert für die Geschwindigkeit der Nutzlast-Masse (11) ableitbar ist, wenn diese einer Schwingungsbewegung ausgesetzt ist;

einer Steuer-Schaltungseinnchtung (22), die auf das Ausgangssignal zum Modifizieren des Ausgangssignals anspricht;

einem Kraftübertrager (23) zum Anlegen einer Kraft an die Nutzlast-Masse (11) im Ansprechen auf ein Eingangssignal; und

einer Signalzuführungseinrichtung zum Zuführen des modifizierten Ausgangssignals als ein Eingangssignal an den Kraftübertrager (23), damit der Kraftübertrager (23) eine kraft an die Nutzlast-Masse (11) in einer Richtung anlegt, die der Bewegungsrichtung der Nutzlast-Masse (11) entgegengesetzt ist, wenn diese schwingt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Schaltungseinrichtung (22) eine Übertragungsfunktion hat, die derart gewählt ist, daß die effektive Resonanzfrequenz der auf die Bewegung ansprechenden Einrichtung (21) wesentlich niedriger als die Resonanzfrequenz des passiven Schwingungsdämpfungssystems (13,14) ist.

2. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Bewegung ansprechende Einrichtung (21) einen Geschwindigkeitsübertrager aufweist.

3. Schwingungsdämpfungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Resonanzfrequenz der auf Bewegung ansprechenden Einrichtung (21) niedriger als die Resonanzfrequenz des passiven Schwingungssystems (13, 14) um mindestens eine Dekade ist.

4. Schwingungsdämpfungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Schaltungseinrichtung (22) und die Signalzuführungseinrichtung eine Rückkopplungsschleife bilden und eine Übertragungsfunktion mit einer Rückkopplungsverstärkung von im wesentlichen Null bei Gleichspannung haben.

5. Schwingungsdämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Bewegung ansprechende Einrichtung (21) ein Geophon ist.

6. Schwingungsdämpfungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Bewegung ansprechende Einrichtung (21) ein Geophon und die Signalzuführungseinrichtung so angepaßt ist, daß sie das Geophon- Ausgangssignal als ein Eingangssignal an den Kraftübertrager (23) zuführt.