Теоретические основы построения спортивной техники

нàпряжением, подводимым к двигàтелю, чтобы его якорь тронулся. Óпрàвление со стороны обмотки возбуждения зàтруднительно вследствие большой инерционности мàгнитного поля этой обмотки. Äля эффективного упрàвления двигàтелем требуются сигнàлы знàчительной мощности.

Ïрименительно к спортивной прàктике, если в исполнительном элементе тренàжерà или тренировочного устройствà функционирует, нàпример, двигàтель постоянного токà, с номинàльной мощностью не превышàющей 1,5 ÊÂт, мощность упрàвляющего им сигнàлà должнà быть не ниже 70÷80% от этого номинàлà.

Ýто укàзывàет нà необходимость использовàния достàточно мощных преобрàзовàтелей упрàвляющих сигнàлов, несмотря нà то, что мощности электродвигàтелей выше приведенного номинàлà в 1,5 ÊÂт, в спортивной технике не применяются.

переменного токà.

Âходным сигнàлом для электродвигàтелей (рисунок 7.2) является нàпряжение Uвх (t), выходным – угол поворотà вàлà якоря Θ(t), или его врàщàющий момент Ìв.

Ñкорость врàщения якоря двигàтеля в устàновившемся режиме пропорционàльнà входному нàпряжению. Åсли питàющее нàпряжение (упрàвляющее) изменяется медленно то инерцией якоря можно пренебречь.

Îднàко в реàльности, при использовàнии двигàтелей в мехàнических

© 2015 ÁÍÒÓ

исполнительных системàх, входные сигнàлы изменяются достàточно быстро, поэтому приходится считàться с инерцией двигàтеля. Ïри резком изменении питàющего нàпряжения двигàтель срàвнительно плàвно изменяет число оборотов, реàгируя нà входной сигнàл подобно инерционной системе.

Èнерционность двигàтеля, любого исполнения определяется, в первую очередь, его конструктивными особенностями, мàтериàлàми из которых он изготовлен и технологией изготовления.

 условиях внешней искусственной среды упрàвление движениями человекà определяется хàрàктеристикàми объектà регулировàния и требуемым кàчеством процессà регулировàния.

Ðисунок 7.3 Ïримернàя клàссификàция мехàнизмов общего нàзнàчения, используемых для создàния исполнительных элементов спортивной техники

Èспользуемые мехàнизмы исполнительных элементов очень рàзнообрàзны.

Òàкие элементы могут клàссифицировàться по нàзнàчению и типу

упрàвляемых элементов, виду осуществляемых перемещений (действий). Ïри их клàссификàции учитывàется, вид энергии, создàющей усилие или момент, перемещение регулирующего оргàнà (ÐÎ) исполнительного элементà.

Ñоответственно, мехàнизмы исполнительных элементов бывàют

© 2015 ÁÍÒÓ

пневмàтическими, гидрàвлическими, электрическими, мехàническими, комбинировàнными. Ïо конструкции они могут быть электродвигàтельные, электронные, электромàгнитные, поршневые, мембрàнные и т.п. (для гидропневмàтики), мехàнические, комбинировàнные.

Îдин из вàриàнтов клàссификàции исполнительных элементов общего применения покàзàн нà рисунке 7.3. Ýтà клàссификàция охвàтывàет все основные устройствà и мехàнизмы, обрàзующие исполнительные элементы, преднàзнàченные для создàния упрàвляющего воздействия нà двигàтельные действия спортсменов.

7.3 Ïервичные измерительные преобрàзовàтели (дàтчики)

Ñоздàть современный и эффективный спортивный тренàжер невозможно без создàния нàдежной упрàвляющей и информàционной обрàтной связи, основой которой являются элементы и приборы для измерения и контроля пàрàметров движений и биологического состояния оргàнизмà спортсменà.

Äля измерения и контроля пàрàметров движений и биологического состояния оргàнизмà спортсменà используются устройствà, нàзывàемые

преобрàзовàтелями неэлектрических величин в электрические.

Íàряду с термином «измерительный преобрàзовàтель» или «первичный преобрàзовàтель» в технической литерàтуре чàсто встречàется другой термин – «дàтчик», имеющий одинàковое с первым знàчение. Ïод «дàтчиком» понимàется конструктивно зàконченный преобрàзовàтель, преднàзнàченный для выполнения определенной функции (нàпример, дàтчик дàвления, дàтчик скорости) безотносительно к зàложенному в нем принципу преобрàзовàния.

Ñовременные элементы и приборы для преобрàзовàния неэлектрических величин в электрические сигнàлы, используемые в спортивном приборостроении, чрезвычàйно рàзнообрàзны по принципу преобрàзовàния и конструктивному исполнению. Ïричем, сàм процесс преобрàзовàния сàмым непосредственным обрàзом вырàжен в измерении преобрàзуемой величины в единицàх пропорционàльных току, нàпряжению, сопротивлению, емкости или индуктивности. Îбобщеннàя структурà преоблàдàющего их большинствà покàзàнà нà рисунке 7.4.

© 2015 ÁÍÒÓ

Ðисунок 7.4 Áлок-схемà системы для измерения неэлектрических величин

Êогдà необходимо одновременно хàрàктеризовàть и принцип

преобрàзовàния, в нàзвàние дàтчикà включàется соответствующее определение, нàпример пьезоэлектрический дàтчик дàвления. Ñтруктурные схемы реàльных систем для измерения неэлектрических величин знàчительно сложнее схемы, покàзàнной нà рисунке 7.4 и включàют в себя рàзличные àнàлоговые или цифровые устройствà, устройствà беспроводной передàчи дàнных об измеряемой величине, коммутàционные устройствà для многоточечных измерений.

Ïреобрàзовàтели неэлектрических величин в электрические (дàтчики), являются одними из нàиболее знàчимых функционàльных элементов спортивной техники. Èменно через них вырàбàтывàются упрàвляющие сигнàлы нà исполнительные элементы и обрàзуются цепи обрàтной связи, дàющие возможность скорректировàть отдельные отклонения в рàботе исполнительных элементов и элементов взàимодействия спортсменà с

тренировочной системой.

Îбщие определения и условия для обеспечения нàдежной рàботы

преобрàзовàтелей неэлектрических величин в электрические в устройствàх спортивной техники:

Âходнàя величинà – мехàническàя или биологическàя величинà, являющиеся следствием функционировàния мехàнизмов тренàжерной системы или оргàнизмà спортсменà, воздействующàя нà преобрàзовàтель и

трàнсформируемàя последним в электрический сигнàл.

Âыходнàя величинà – физическàя величинà, получàемàя нà выходе приборà кàк результàт преобрàзовàния, усиления, других трàнсформàций. Ýто могут быть сигнàлы нàпряжения или токà, положения всевозможных

укàзàтелей, индикàторов и пр.

×увствительность преобрàзовàтеля – отношение изменения сигнàлà нà выходе преобрàзовàтеля Δy к вызывàющему его изменению измеряемой величины Δx (S = Δy/ Δx); ее рàзмерность определяется рàзмерностью

преобрàзовàтелей, зàвисит от чувствительности кàждого из нàзвàнных элементов и определяется произведением чàстных чувствительностей

© 2015 ÁÍÒÓ

(S = S1 * S2 * . . . ).

Ïорог чувствительности – минимàльное изменение входной величины, вызывàющей зàметное изменение выходной величины.

Ïредел преобрàзовàния – мàксимàльное знàчение входного сигнàлà, которое может быть воспринято преобрàзовàтелем без искàжений и повреждений преобрàзовàтеля.

Äинàмический диàпàзон измерений – диàпàзон входных величин, измерение которых производится без зàметных искàжений и простирàется от мàксимàльной (предельной) величины до минимàльной. огрàниченной порогом чувствительности или уровнем помех. Êоличественно динàмический диàпàзон вырàжàется либо крàйними знàчениями (от минмумà до мàксимумà), либо в децибелàх.

Ãрàдуировочнàя хàрàктеристикà – зàвисимость между знàчениями величин нà входе и нà выходе преобрàзовàтеля состàвленнàя в виде тàблицы или грàфикà.

Îсновнàя погрешность – мàксимàльнàя рàзность между получàемой и номинàльной выходными величинàми, определяемыми в нормàльных условиях.

Íормàльные условия – зà нормàльные условия принимàют следующее

состояние окружàющей среды: темперàтурà +25±10 º Ñ; àтмосферное

дàвление 750 ± 30 мм рт. ст.; относительнàя влàжность 65 ± 15%; вибрàция, электрические и мàгнитные должны отсутствовàть.

Äополнительнàя погрешность – погрешность вызывàемàя изменением внешних условий. Îнà предстàвляет собой относительное изменение выходной величины в процентàх, отнесенное к изменению внешнего фàкторà нà определенную величину (нàпример темперàтурнàя погрешность 2,5 % нà

10º Ñ и т. д.).

Êлàссификàция преобрàзовàтелей неэлектрической величины в

электрический сигнàл, по принципу преобрàзовàния, покàзàнà нà рисунке 7.5.

Âыбор принципà преобрàзовàния дàтчикà, в знàчительной степени

определяет схемотехнику электронных преобрàзующих устройств, блоков питàния, других, схемотехнических элементов.

© 2015 ÁÍÒÓ

Ðисунок 7.5 Êлàссификàция преобрàзовàния неэлектрических величин в

электрические в соответствии с принципом действия тренировочных устройств и

спортивных тренàжеров

Ïо принципу действия преобрàзовàтели делятся нà две группы:

àктивные, или генерàторные, и пàссивные, или пàрàметрические. Â первых, входнàя величинà непосредственно преобрàзуется в электрический сигнàл; во вторых – выходными электрическими величинàми является результàт изменения сопротивлений, емкостей, чàстоты и т. п. Ê первому клàссу можно отнести пьезоэлектрические и индукционные, à ко второму – емкостные, индуктивные и другие преобрàзовàтели. Â отличие от пàрàметрических, питàемых от внешнего источникà, àктивные преобрàзовàтели под воздействием измеряемой величины, сàми генерируют электрический сигнàл в виде электро-движущей силы (Ý. Ä. Ñ.), чàстоты или фàзы переменного токà. Êогдà непосредственное преобрàзовàние входной величины во выходную произвести невозможно, применяется промежуточное преобрàзовàние, кàк в электротензометрии, где измеряемàя величинà (нàпример силà) преобрàзуется предвàрительно в деформàцию упругого элементà, à последняя приводит к изменению электрического сопротивления.

© 2015 ÁÍÒÓ

Ïреобрàзовàтель, кàк единàя системà (рисунок 7.4), должен

удовлетворять ряду требовàний: иметь достàточную чувствительность и удовлетворительную стàбильность, допускàть широкий диàпàзон изменения входной величины, удобное соглàсовàние с измерительной àппàрàтурой и не окàзывàть зàметного влияния нà входную величину.

Äля измерения одной и той же неэлектрической величины могут быть

использовàны дàтчики, основàнные нà рàзличных принципàх

преобрàзовàния, которые не всегдà рàвнознàчны по обеспечению зàдàнной

точности и стàбильности процессà преобрàзовàния и т. д. Ïоэтому следует

àнàлизировàть нàиболее перспективные принципы преобрàзовàния, основой

которых является совокупность элементов покàзàнных нà рисунке 7.5.

Ïрименение тàких элементов дàст возможность получить дàтчики и

преобрàзовàния определяет выбор конструкции дàтчикà, кàк элементà от которого зàвисит конструкция преобрàзовàтеля измеряемой неэлектрической величины в целом. Êàк было сформулировàно в нàчàле рàзделà, дàтчик это

деформируемое упругое тело с нàклеенным нà нем тензорезистором.

электрического мостà, где деформàция упругого телà, от приложенного к нему усилия (величинà нà входе преобрàзовàтеля), изменяет омическое сопротивления тензорезисторà. Òàкое изменение вызывàет в свою очередь рàзбàлàнс электрического мостà и в контрольной диàгонàли этого мостà возникàет электрический ток пропорционàльный изменению усилия нà входе преобрàзовàтеля (дàтчикà).

Ïри рàссмотрении конструктивных решений дàтчиков для измерения того или иного неэлектрического пàрàметрà необходимо обрàтить внимàние

нà поведение мехàнической колебàтельной системы под воздействием

внешней силы. Ýто необходимо сделàть, т. к. в конструкциях подàвляющего большинствà дàтчиков, применяемых в тренàжерàх, имеются упругие и инерционные состàвляющие, àктивно реàгирующие нà перепàды усилий и другие процессы.

Âсякий сложный àпериодический или периодический процесс, предстàвляется суммой синусоидàльных состàвляющих. Îтсюдà исходит, что идеàльный преобрàзовàтель должен одинàково хорошо реàгировàть нà все состàвляющее входного сигнàлà (от нулевой до высшей чàстоты) с минимàльными искàжениями. Â большинстве случàев преобрàзовàние

© 2015 ÁÍÒÓ

(измерение) величин производится приборàми, состоящими из нàборà инерционных и упругих элементов, создàющих условия для возникновения колебàтельных процессов. Óпрощàя àнàлиз реàкции преобрàзовàтеля нà чàстотные состàвляющие входного сигнàлà можно воспользовàться àнàлогом в виде колебàтельной системы с одной степенью свободы (однонàпрàвленнàя величинà нà входе преобрàзовàтеля, или со смещением х, что хàрàктерно для большинствà измерительных систем).

Ýто нужно, чтобы определить в кàком случàе преобрàзовàтель рàботàет кàк виброметр, à в кàком кàк чàстотомер, тàк кàк одно и другое широко используется в àнàлизе особенностей спортивных движений.

Ðеàкция нà внешнее воздействие, системы покàзàнной нà рисунке 7.6, описывàется неоднородным линейным дифференциàльным урàвнением второго порядкà.

Íе остàнàвливàясь нà сути решения этого урàвнения по отношению к смещению

х можно зàписàть:

Ðисунок 7.6 Êолебàтельнàя системà с одной

степенью свободы

где β = ω/ωо – отношение возбуждàющей чàстоты к собственной чàстоте; ξ = с/скр = – относительный коэффициент демпфировàния, когдà m –

мàссà инерционного телà; c – коэффициент демпфировàния; k – коэффицинт упругости; y – измеряемое перемещение; φ – угол сдвигà фàз рàвный, если

Èз решения урàвнения следует, что если β имеет большое знàчение

(β>>1), à ξ – достàточно мàло (ξ<<1), то

о sinωt,

т. е. перемещение мàссы телà пропорционàльны перемещению корпусà

yо .

Åсли β ξ имеют мàлые знàчения, то

© 2015 ÁÍÒÓ

и следовàтельно, перемещение грузà пропорционàльно ускорению корпусà yоω² в мàсштàбе 1/ ω o ² .

Èз этого следует, что при возбуждении колебàтельной системы ниже ее резонàнсной чàстоты онà будет рàботàть в режиме àкселерометрà, à выше резонàнсной чàстоты – в режиме виброметрà. Íà это следует обрàтить особое внимàние, поскольку нà этих режимàх основàнà рàботà нàзвàнных приборов.

Ìàксимàльное смещение хмàкс из ( 7.1 ) рàвно:

Ýто ознàчàет, что мàксимàльное смещение грузà определяется зàтухàнием системы и отношением чàстот, à коэффициент

λ = β²/(1 - β²)² + (2ξβ) ² может быть нàзвàн коэффициентом усиления, изменение которого зàвисит от ξ и β, ( рисунок 7.7).

Ðисунок 7.7 Ãрàфик зàвисимости смещения инерционного телà от зàтухàния и отношения чàстот

/,

À– виброметрà; Á – àкселерометрà.

Âотличие от рàдиотехнических устройств, где нàибольший интерес

предстàвляет именно резонàнснàя облàсть, в устройствàх для измерения неэлектрических величин стремятся уйти от резонàнсà, с тем чтобы

© 2015 ÁÍÒÓ

0,7 почти линейнà до чàстот, покà ω<0,4ωo

7.4 Äàтчики для измерения пàрàметров движений при

перемещениях нà мàлые рàсстояния

Ïеремещения нà мàлые рàсстояния хàрàктерны для спортивных движений звеньев или отдельных чàстей телà спортсменà и огрàничены àнтропометрическими особенностями сàмого спортсменà. Èменно при перемещении звеньев телà спортсменà или отдельных чàстей его телà, проявляются нàивысшие ускорения и скорости движения. Ñвязи между пàрàметрàми движения (перемещением, скоростью и ускорением), определяемые дифференциàльными зàвисимостями, широко используются при проектировàнии и эксплуàтàции дàтчиков, поскольку один из измеренных пàрàметров позволяет тут же путем его дифференцировàния или интегрировàния получить другой. Òàк сигнàл от дàтчикà ускорения, проинтегрировàнный двàжды по времени, предстàет кàк сигнàл перемещения.

Âыбор конкретного средствà для измерения пàрàметров движения зàвисит от хàрàктерà движения: будет ли оно рàвномерным, нерàвномерным или колебàтельным (вибрàционным).

Íà прàктике, при выборе типà преобрàзовàтеля (рисунок 7.8), прежде всего учитывàются особенности измеряемого двигàтельного действия спортсменà или его состояния, чувствительность и чàстотный диàпàзон рàботы преобрàзовàтеля.

Îсобенностью реостàтного дàтчикà (рисунок 7.8 À) является то, что инерционнàя силà Fин , возникàющàя в результàте ускорения основàния, проявляет себя в виде смещения движкà потенциометрà, во второй схеме (рисунок 7.8 Á) – в виде деформàции бàлки тензорезисторов R1 и R2 , в третьей схеме (рисунок 7.8 Â) – в виде скорости перемещения мàгнитà в кàтушке, поскольку нàводимàя Ý. Ä. Ñ. пропорционàльнà скорости его перемещения.

© 2015 ÁÍÒÓ