HATRA CAP SYSTENES
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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur aktiven Dämpfung von
Schwingungen von mechanischen Teilen, deren Vibrationsenergie
auf Frequenzen konzentriert ist, die eine Grundfrequenz und
Harmonische umfassen, welche in einem konstanten Verhältnis
stehen.
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Diesem Schwingungsmodus begegnet man häufig, insbesondere auf
vielen drehenden Teilen, wie beispielsweise Wellen zur
Übertragung von mechanischen Leistungen, die die Quelle von
Schwingungen mit harmonischen Frequenzen sind, die in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Welle variieren, aber in
einer festen Beziehung bleiben.
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Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur aktiven Dämpfung
von Schwingungen bekannt. Bestimmte Vorrichtungen arbeiten
damit, dar Algorithmen ausgeführt werden, die zu bestimmten
Zeiten eingreifen und folglich den gleichen Rhythmus auf die
Aufnahme von Daten aufzwingen, welche die Schwingungen
wiedergeben, und auf die Erzeugung von Betätigungssignalen zur
Verminderung des Vibrationspegels, was dazu neigt, die
Vorrichtung instabil zu machen.
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Es ist ebenfalls ein Typ von Vorrichtung zur aktiven Dämpfung
von Schwingungen bekannt, welcher Sensoren umfaßt, die
jeweils ein elektrisches Meßsignal liefern, das in Phase und
Amplitude die Schwingungen am Ort des Teils wiedergeben,
wobei mindestens ein Betätigungselement in der Lage ist, auf
das Teil eine Kraft oder eine Kopplung auszuüben, die der
Schwingung entgegenwirkt, und eine Einheit zum Berechnen und
Versorgen des Betätigungselementes, die mit den Sensoren und
dem Betätigungselement verbunden ist. Die Recheneinheit gibt
an das Betätigungselement ein abgeleitetes Aussignal aus, um
die Energie der Schwingungen zu minimieren, die auf der Basis
der Messignale von den Sensoren bestimmt wurde. In diesen
bekannten Vorrichtungen ist die Übertragungsfunktion der
Recheneinheit eine Matrix, deren Einträge vorbestimmt sind in
Abhängigkeit von den Ergebnissen von Versuchen, und fest
sind.
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Solche Vorrichtungen können der Zeitentwicklung eines Systems
nicht folgen, um sich daran anzupassen.
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Es sind ähnliche Vorrichtungen bekannt, bei denen die Anzahl
von Betätigungselementen gleich der Anzahl von Sensoren ist,
so dar die Recheneinheit eine quadratische Übertragungsmatrix
aufweist, was eine Beschränkung mit sich bringt, die oft
unangenehm ist (Instabilität, lokale und nicht globale
Steuerung).
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In bestimmten Vorrichtungen (siehe "Minimisation of
Helicopter Vibration through Active Control of Structural Response",
von S.P. King und A.E. Staple, AGARD Conference Proceedings
Nr. 423, Ed. SPS Ltd, Juni 1987, Seiten 14-1 bis 14-13), wird
die Minimierung der Schwingungen für eine einzige Frequenz
bewirkt, die als dominant betrachtet wird, wobei die
Recheneinheit einen rekursiven adaptiven Algorithmus ausführt.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt eine Vorrichtung zur
aktiven Dämpfung von dem Typ zu schaffen, welcher oben
definiert wurde, und besser den Anforderungen der Praxis
entspricht, als die zuvor bekannten. Sie beabsichtigt ebenfalls
eine Vorrichtung zu schaffen, welche sich der Zeitentwicklung
des Systems anpaßt, das ein mechanisches Teil enthält, dessen
Schwingungen gedämpft werden sollen, wobei eine
vorangegangene Bestimmung der Koeffizienten der Matrix nicht
erforderlich ist, und sie erlaubt die Berücksichtigung der
Vibrationen an einer großen Anzahl von Stellen.
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Für diese Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor,
wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Die Anzahl der Sensoren ist mindestens gleich der Anzahl der
Betätigungselemente, um die Notwendigkeit einer Wahl durch
die Recheneinheit zwischen mehreren möglichen Lösungen, die
äquivalente Resultate ergeben, zu vermeiden, was durch die
verschiedenen Lösungen bei der Inversion der
Übertragungsmatrix durch die Recheneinheit ausgelöst wird.
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Die Erfindung findet eine Anwendung bei allen industriellen
Systemen, wo es wünschenswert ist, Schwingungen zu dämpfen,
die bei identifizierbaren Frequenzen auftreten,
gegebenenfalls aufgrund der Tatsache, das sie direkt mit einer
meßbaren Frequenz verbunden sind.
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Man kann ebenfalls Drehmaschinen, Pumpen, Ventilatoren,
Verbrennungsmotoren nennen. Die gestellte Aufgabe kann
insbesondere die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Systems, die
Verminderung des Lärms und / oder das Erhalten einer
akustischen Dämpfung sein.
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Die Erfindung wird besser verstanden werden bei der Lektüre
der Beschreibung, die einer besonderen Ausführungsform folgt
und als nichtbeschränkendes Beispiel gegeben ist. Die
Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, in
welchen:
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Fig. 1 ein Übersichtsschema ist, das die verschiedenen
Funktionen zeigt, welche bei der Ausführung der
Vorrichtung eingreifen;
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Fig. 2 eine Übersicht über einen Frequenzsynthetisierer ist,
welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendbar ist;
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Fig. 3 ein Übersichtsschema ist, welches einen möglichen
Aufbau eines Signalmixers zeigt, der in der
Vorrichtung von Fig. 1 verwendbar ist.
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Fig. 4 eine mögliche Verteilung der Komponenten der
Vorrichtung gemäs der Erfindung zeigt.
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Die Vorrichtung wird in ihrer Anwendung auf die aktive
dynamische Dämpfung von diskreten Schwingungen einer schwingenden
Struktur beschrieben, die ein drehendes Teil umfaßt. Fig. 1
zeigt ein solches drehendes Teil, das eine Welle 11 umfaßt.
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Die Eingangssignale der Vorrichtung umfassen zum einen ein
Synchronisationssignal, das von einem Geschwindigkeitssensor
12 geliefert wird, welcher beispielsweise einen Impuls
ausgibt, jedes Mal, wenn er sich gegenüber bestimmten Stellen
der Welle 11 befindet, und zum anderen Teil elektrische
Signale C, die jeweils von einem Sensor 14 ausgegeben werden
und die Verschiebungen aufgrund von Schwingungen an der
Stelle wiedergeben, wo der Sensor auf dem Stator 10
angeordnet ist.
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Die Ausgangssignale der Vorrichtung werden elektrodynamischen
Betätigungselementen 16 zugeführt, die vibrierende Pots
umfassen, deren Anzahl A kleiner oder gleich der Anzahl der
Sensoren C ist und auf die vibrierende Struktur an den
Punkten einwirkt, die im allgemeinen durch Berechnung definiert
sein können und anschliesend durch Experimente eingestellt
sein können in der Weise, das ein optimales Resultat erhalten
wird. Zur Vereinfachung sind nur die Verbindungen eines
einzigen Betätigungselementes und eines einzigen Sensors auf
Fig. 1 wiedergegeben.
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Die Dämpfungsvorrichtung umf ast außerdem eine Einheit 18 zur
Verarbeitung der Signale und der Befehle der
Betätigungselemente, die die Eingangssignale mittels Ladungsverstärker 19
empfangen und Ausgangssignale liefern. Diese Einheit 18 ist
vorgesehen zur Dämpfung der Schwingungen von bestimmten
Frequenzen durch Betrieb in einer geschlossenen Schleife. Diese
bestimmten Frequenzen sind im allgemeinen Resonanzfrequenzen,
die aus den harmonischen einer Fundamentalfrequenz f
bestehen, die von dem Synchronisationssensor 12 erhalten werden
können.
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Der Block 18 kann so aufgefaßt werden, das er drei Funktionen
erfüllt:
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Die Extraktion der spektralen Komponenten des Signals von
jedem der Sensoren 14 bei jeder der Dämpfungsfrequenzen;
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die Berechnung der Übertragungsmatrix Betätigungselement
/Sensor durch Suchen des Minimums der Energien der Sensoren 14
bei jeder erhaltenen Frequenz mittels Demodulation und
digitaler Filterung in Antwort auf infinite Impulse;
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Erzeugung, durch Mischung von Analogsignalen, von
Ausgangssignalen, die jedem Betätigungselement 16 mittels eines
Leistungsverstärkers 20 zugeführt werden.
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Um diese Funktionen auszuführen muß die Einheit 18 die
Synthese 24 von periodischen Signalen, im allgemeinen
sinusförmig, synchron zu periodischen Signalen durchführen, die von
dem Geschwindigkeitssensar 12 geliefert werden.
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Die Extraktion der Komponenten geschieht mittels der
Unterwerfung des Ausgangssignals von jedem Sensor 14, das durch
den entsprechenden Verstärker 19 auf ein ausreichend hohes
Niveau gebracht wurde, einer Tiefpaß-Antifaltungsfilterung 21
und einer Abtastung und Analog-Digitalkonversion 22 in einer
Abfolge, die ausreichend hoch ist in Hinsicht auf die
synthetisierten Frequenzen; die Abtastungen werden einer synchronen
Demodulation unterworfen, die eine Multiplikation 26 und eine
Tiefpaßfilterung 28 für jede erhaltene Frequenz mit sich
bringt.
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Die Übertragungsmatrix wird in rekursiver Weise durch einen
adaptiven Algorithmus mit Hilfe eines Rechners 30 berechnet.
Unter der Annahme, daß die Charakteristiken der Schwingungen
sich nur langsam ändern, kann der Algorithinus insbesondere
von der Art sein, wie er in dem Kapitel "Moindres Carrés
Récursif paramètres lenteinent variables" in dem Werk "Le
Filtrage
et ses Applications" von LABARRERE, GIMONET et KRIEF
(ISBN 2,85428,190,X) beschrieben ist.
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Die Umkehrung der Übertragungsmatrix zwischen den
Betätigungselementen 16 und den Sensoren 14 erlaubt die Bestimmung
der zu verwendenden Gewichtungskoeffizienten, um durch die
Mischung 32 der gewichteten Beiträge der synthetisierten
Sinussignale in 24 periodische Wellen zu erzeugen, deren
Amplitude und Phase geregelt ist und die auf die
Betätigungselemente 16 mittels der Verstärker 20 angelegt werden.
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Es wird nun ein möglicher Aufbau der verschiedenen
Kampanenten der Vorrichtung beschrieben.
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Wie weiter oben beschrieben wurde, erfordert die Ausführung
der Vorrichtung die Verfügbarkeit von periodischen Wellen, im
allgemeinen sinusförmig, bei den zu dämpfenden Frequenzen.
Diese Frequenzen sind rationale Teile einer
Fundamentalfrequenz, die mit der Drehgeschwindigkeit der schwingenden
Struktur verknüpft ist, wenn die letztere durch ein drehendes
Element gebildet wird. Die Fig. 2 zeigt einen Synthetisierer,
welcher die Erzeugung von periodischen Wellen einer
beliebigen Form erlaubt bei einer Frequenz (n/m) f0. Der
Synthetisierer 24 von Fig. 1 empfängt ein quadratisches
Eingangssignal 12, bei einer vielfachen Frequenz der
Drehgeschwindigkeit, die als Bezug dient. Dieses Signal 12 liegt an einem
programmierbaren Zähler 34 an, welcher ein Ausgangssignal
liefert in einer Abfolge (1/m) der Frequenz des quadrierten
Eingangssignals zu einem Adressengenerator 36. Dieser
Generator liegt am Leseeingang eines variablen Speichers 38 an, in
welchem die Form der Welle in Form van Abtastungen
gespeichert ist, und der durch einen Eingang 40 programmierbar ist.
Der Ausgang der Tabelle wird auf einen
Digital-Analogkonverter 42 angelegt, dessen Abtastausgänge auf einen
Tiefpaßfilter 44 angelegt wird, dessen Ausgang eine synthetisierte
Welle liefert.
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Der Synthetisator 24, der eben beschrieben wurde, liefert
mehrere Formen von Wellen, die in Phase koherent mit dem
Steuersignal sind, welches von dem Geschwindigkeitssensor 12
geliefert wird. Es kann aber eine Multiplexervorrichtung
vorgesehen werden, um gegebenenfalls eine externe Steuerung zu
erlauben, sei es eine Steuerung auf der Grundlage eines
internen Zeitgebers, oder sei es eine Steuerung auf der
Grundlage eines Buses der Recheneinheit.
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In der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die Wellen, die
van dem Synthetisierer 24 geliefert werden, in numerischer
Form für die synchrone Demodulation verwendet, die in einer
Abtastfolge von mindestens dem zweifachen der höchsten
harmonischen Disdrehtheit in dem Spektrum sind, um das Theorem von
Shannon zu berücksichtigen.
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Als Beispiel kann ein Synthetisierer von Wellenformen genannt
werden, der 8 Wellenformen liefert, die sich in der Frequenz
unterscheiden, welche irgendwelche Werte (n/m)f haben mit m <
256 und n < 127, wobei ein Adressengenerator 36 verwendet
wird, welcher eine Adresse auf 11 Bits liefert (d. h. eine
Abtastung der Wellenformen auf 2048 Punkten erlaubt) und
einen variablen Speicher, welcher jede Abtastung auf 12 Bits
speichert, mit einem externen Synchronisationssignal auf 11
Bits (2048 tops/Umdrehung).
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Die Tiefpaßfilterung wird durch einen Filter /
Verstärkerblock sichergestellt, welcher eine maximale Ausgangsspannung
von +/- 10 Volt hat.
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Die synchrone Demodulation bei jeder der Frequenzen kann in
klassischer Weise mit Hilfe eines digitalen Multiplikators 26
und eines Tiefpasfilters 28 ausgeführt werden, der die
Amplitude und die Phase des Spektrums von jedem Sensor jedes Mal
für eine jeweilige synthetisierte Frequenz extrahiert. Häufig
ist mit Ausnahme der sehr komplexen Systeme, eine Dämpfung
von vier synthetisierten Frequenzen ausreichend.
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Eine Variante besteht darin, nicht eine synchrone
Demodulation des Sensorsignales auszuführen, sondern eine lineare
Kombination der Ergebnisse der synchronen Demodulationen
durch Multiplikation mit der gleichen Wellenform von mehreren
Sensoren.
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Die Verarbeitung 30 kann durch einen Parallelrechner
ausgeführt werden, welcher in der Weise programmiert ist, das in
rekursiver Weise die Übertragungsmatrix zwischen den
Betätigungselementen und den Sensoren berechnet wird durch
Minimierung des Fehlers zwischen (a) den Werten, die von den
Sensoren ausgegeben werden, nach der Demodulation, (b) den
geschätzten Übertrag der Betätigungssiggnale und die Bestimmung
der Schwingungsanregung des Drehteiles. Die Verwendung eines
Algorithmuses, wie er oben definiert ist, und dessen
Programmierung auf einem besonderen Rechenelement stellt kein
besonderes Problem dar in Hinsicht auf die Entwicklung der Zeit
der Übertragungsmatrix und erlaubt die Gewichtung der
Beiträge von jeder Iteration des Algorithmuses gemäß einem
Gesetz des exponentiellen Abfalles als Funktion der Zeit.
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Das Rechenelement 30 liefert am Ausgang für jedes
Betätigungselement A die Gewichtungskoeffizienten in gleicher
Anzahl, wie die Frequenzen, für welche die Dämpfung ausgeführt
werden soll (d. h. eine Anzahl gleich der Anzahl der Wellen,
die von dem Synthetisierer 24 geliefert werden). Diese
Koeffizienten werden einem Mischer 32 zugeführt, welcher eine
Anzahl von Ausgängen gleich Anzahl der Betätigungselemente
aufweist.
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Der Mischer 32 kann den prinzipiellen Aufbau haben, wie er in
Fig. 3 gezeigt ist. Er umfast die Blöcke 46 der
Digital-Analogkonverter, die jeweils eine Anzahl von Konvertern gleich
der Anzahl der Wellenformen umfassen, die von dem
Synthetisierer 24 erzeugt werden. Jeder Block 46 ist einem bestimmten
Betätigungselement 16 zugeordnet. Jeder Konverter des
gleichen
Blocks 46 empfängt die von dem Synthetisierer 24
erzeugten Wellenformen und liefert an seinem Ausgang ein
Analogsignal, das das Produkt aus der Wellenform mit dem jeweiligen
Gewichtungsfaktor ist, der von der Recheneinheit 30 geliefert
wird. Die Ausgänge des Blocks 46, die die Beiträge zu dem
Dämpfungssignal für eine gleiche Frequenz umfassen, werden
einem Summierer 48 zugeführt, welcher an einem
Filterverstärker 50 anliegt. Das so erzeugte Signal wird einem
Leistungsverstärker des jeweiligen Betätigungselementes
zugeführt.
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Es wird nun mit Bezug auf Fig. 4 ein möglicher Aufbau der
Vorrichtung beschrieben, wobei entsprechende Elemente von
beschriebenen Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind.
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Das Rechenvolumen und die notwendige Aufnahme in Real zeit von
mehreren physikalischen Schwingungsparametern machen einen
Aufbau vorteilhaft, der eine parallele Ausführung von
Aufgaben erlaubt. Eine vorteilhafte Lösung umfaßt die Verwendung
einer Recheneinheit, der einen Parallelrechner umfast welcher
gleichzeitig die Schnittstelle zwischen mehreren Busen des
Typs VME ist, dessen Wesen eine Entwicklung erlaubt. Man kann
insbesondere einen Server capitant verwenden, welcher in dem
Beitrag von G. GAILLAT "le calculateur parallele capitan: 600
MIPS pour l'imagerie temps reel", Biarritz, Mai 1984, und in
dem Dokument FR-A-2 571 567 beschrieben ist. Der Server
umfast einen Ringbus, welcher eine asynchrone Kommunikation mit
erhöhter Rate erlaubt. Die verschiedenen oben aufgeführten
Komponenten, ebenso wie ein Eingang-Ausgangsteil 52, das die
Benutzerschnittstelle bildet, sind mit dem VME Bus gekoppelt.
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Insbesondere kann jede Abtast-Blockadefunktion durch eine
Karte ausgeführt werden, welche getrennt ist von derjenigen,
welche die Konversion und den Empfang der Abfolge von Blöcken
ausführt, die von einem inneren oder äußeren Zeitgeber
stammen von der Abtast-Blockadekarte. Eine Schnittstelle kann
vorgesehen werden, um das Blockadekommando auszulösen auf der
Basis von Impulsen, die durch eine andere Komponente der
Recheneinheit erzeugt werden und durch den Bus übertragen
werden. Die Karte, welche die Schaltkreise zur Abtastung-
Blockade trägt, umfaßt notwendigerweise einen geeignet
stabilisierten Versorgungsblock. Der Synthetisierer 24 kann
programmierbar mittels des Buses oder eines der VME Buse sein.
Die gleichen VME Buse können verwendet werden, um die Werte
der Koeffizienten und / oder die Form der Wellen an den
Mischer 32 zu übertragen.
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Die Erfindung kann verschiedenen Variationen in der
Ausführung unterworfen werden; zudem sind bestimmte originelle
Komponenten, die in der Vorrichtung ausgeführt werden,
verwendbar für andere Anwendungen. Beispielsweise findet der
Synthetisierer zahlreiche Anwendungen auf dem Gebiet der
Signalbehandlung, weil er die Abwesenheit von Phasenabweichungen
garantiert, die Erzeugung jedweder Wellenform erlaubt und ein
ausgezeichnetes Signal zum Rauschverhältnis und sehr geringe
Verzerrungen aufweist.