Фильтр для систем автоматического регулирования Советский патент 1983 года по МПК G05B5/01 

Изобретение относится к элементам систем автоматического регулирования и может быть применено в системах, в выходных сигналах датчиКов которых имеются импульсные помехи, например в системе управления доменным процессом, в которой в качестве датчиков температуры используются оптические пирометры излучения.

Известен фильтр для систем автоматического регулирования, содержащий последовательно соединенные первый усилитель, блок сравнения, усилитель с насыщением, интегратор и второй усилитель, подключенный входом к второму входу блока сравнения Си.

Недостатком такого фильтра является значительное, даже при отсутствии помех, воздействие на полезный сигнал, которое проявляется, в частности, в виде фазовых искажений искажений формы- и IT.п.

Известен фильтр для систем автоматического регулирования, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, блок сигнатуры, второй сумматор, интегратор и инвертор, подключенный выходом к второму входу первого сумматора, и дифференциатор, подключенный выходом к второму входу второго сумматора ,2J.

Недостаток : фильтра - искажение полезного сигнала по амплитуд

Наиболее близким по технической; Jc:yщнocти к предлагаемому является фильтр, содержащий усилитель и последовательно соединенные блок сигна-. туры, интегратор, второй сумматор, инвертор и второй сумматор, подключенный выходом к входу блока сигнатуры, выходом подключенного через усилитель к второму входу первого сумматора СЗ Недостатком известного фильтра является его низкая эффективность в связи с искг1жением полезного сигнала и наличием высокочастотной помех в его выходном сигнале.

Цель изобретения - повышение эффективности фильтра путем уменьшения высокочастотной составляющей в еговыходном (Сигнале. .

Поставленная цель достигается тем, что в фильтре для систем автоматического регулирования, содержащем усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор первый сумматор, инвертор и второй сумматор, дополнительно установлены апериодическое Звено и усилитель с насыщением, подключенный входом к выходу второго сумматора, а выходом к входам блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу..первого сумматора.

На чертеже представлена блок-схема фильтра.

Фильтр содержит второй сумматор 1 усилитель 2 с насыщением, усилитель 3, блок 4 сигнатуры, апериодическое звено 5, интегратор 6, первый сумматор 7 и инвертор 8.

На чертеже представлена блок-схема конкретного примера выполнения фильтра, используемого в подсистеме автоматического контроля температуры фурменной зоны доменной печи. В этом случае источником внешнего сигнала является оптический пирометр излучечения {не показан ), Второй сумматор

1выполнен, например, в виде суг мирующего операционного усилителя, первый вход которого является входом фильтра. Выход второго сумматора 1 подключен к входу усилителя 2 с насыщением, т.е. к входу первого нелинейного звена, выполненного, например, в виде операционного усилителя с небольшим коэффициентом усиления

и с ограничителями амплитуды сигнала на выходе. Выход усилителя 2 с насыщением подключен к входам усилителя

2и блока 4 сигнатуры, т.е. к входу второго нелинейного элемента, выполненного, например, в виде операционного усилителя с большим -коэффициентом усиления с ограничителями амЩ1ИТУДЫ сигнала на выходе. Выход усилителя 3 подключен к входу апериодического звена 5, реализованного, например, в виде электрической RC-цепи. Выход блока 4 сигнатуры подключен к входу интегратора 6, выполненного, например, в виде операционного интегрирующего усилителя, выход коjroporo подключен к первому входу сумматора 7, к второму входу которого подключен выход апериодического звена 5, а выход которого является выходом фильтра и подключен к входу инвертора 8, выход кото рого подключен к второму входу второго сумматора 1.

Фильтр работает следующим образом.

Когда в выходном сигнале пирометра нет импульсных помех, нет постоянно действующей высокочастотной помехи и абсолютное значение скорости изменения полезного сигнала не превышает заданной величины, контур фильтра линеаризуется в звено с единичным коэффициентом усиления. Это объясняется тем, что при изменении сигнала на входе фильтра на выходе второго cyNwaTopa 1 появляется сигна который,проходя без искажений через усилитель 2 с насыщением, выводит блок 4 сигнатуры в одно из двух возможных состояний, при этом начинает изменяться выходной сигнал интегратора 6, который, проходя через первый сумматор 7 и инвертор 8, вычитаётся во втором сумматоре 1 из вход ного сигнала фильтра и тем самым компенсирует его. Пря этом на выходе второго сумматора 1 возникает пере-. менный сигнал большой частоты с амплитудой, близкой к нулевому значению, на выходе блока 4 сигнатуры возникает меандр такой же частоты, а на выходе интегратора 6 постоянно поддерживается значение входного сиг нала фильтра. Сигнал с выхода второго сумматора 1 без иск.ажений прохо дит через усилитель 2 с насыщением на вход усилителя 3, после чего сгла живается в апериодическом звене 5 до нулевого значения. Таким образом, выходной сигнал фильтра определяется значением выходн го сигнала интегратора 6, который повторяет значение входного сигнала фильтра. В этом случае фильтр представляет собой звено с единичным коэффициентом усиления. При превьЕиении абсолютного значения производной входного сигнала; фильтра заданной величины или (что то же самое) при появлении импульсного выброса выходной сигнал интегратора б не успевает скомпенсировать изменение входного сигнала фильтра, в результате чего на выходе второго сумматора 1 появляется сигнал значительной величины, который выводит усилитель 2 с насыщением в режим насыщения. Таким образом, изменение выходного сигнала фильтра в этом случае определяется суммой выходного сигнала интегратора 6 и медленно И31 1еняю1цегося выходного сигнала апериодического звена,5, скорость которого определяется постоянной времени апериодического звена 5. Происходит сглаживание импульсного выброс При постоянно действующей на входе фильтра высокочастотной помехе небольшой- амплитуды сигнал на выходе интегратора 6 является огибающей суммарного входного сигнала снизу, если производная полезного сигнала положительна, и огибающей сверху, если производная полезного сигнала отрицательна, вследствие работы бло ка 4 сигнатуры, который при сильно отличающихся по абсолютной величине амплитудах положительного и отрицательного сигналов на вхсще принимае одинаковые по абсолютной величине и отличаювдаеся по знаку значения си нала на выходе. Таким образом, посл прохождения сигнала с, выхода интегратора б через первый сумматор 7, инвертор 8 и второй сумматор 1 на выходе последнего выделяются высоко частотные колебания, наложенные на постоянную составляющую (положитель ную или отрицательную в зависимости от знака производной полезного сигнала ) с величиной амплитуды равной

-.

1016770 римерно половине амплитудм высокоастотной помехи. Эти колебания без скажений проходят через усилитель. , 2 с насыщением (так как зона насыения его выбрана таким o6pa3Ofj, тобы высокочастотная помеха не оганичивалась этой зоной ), усиливатся усилителем 3 и сглаживаются апериодическим звеном 5, на выходе которого присутствует постояннал составляющая, суммирующая в первом cyNMaTope 7 с выходным сигналом интегратора 6 и таким образом восстанавливающая значение полезного сигнала на выходе фильтра. Величина коэффициента усиления К усилителя 3 выбирается из соотношениягде Т5(р) - передаточная функция фильтра; р - оператор Лапласа; RC - постоянная времени апериодического звена 5. То есть К выбирается из условия )Обеспечения неискаженной передачи постоянной составляющей высокочастотных колебаний «. l) и из условия обеспечения достаточной ве пичины времени фильтра () . Таким образом, введение апериодического звена 5, включенного мегеду усилителем 3 л вторым входом первого сумматора 7, позволяет сгладить высокочастотные колебания входного сигнала, выделенные (в результате действия фильтра ) на выходе второго сумматора 1 и присутствующие во вход.ном сигнале усилителя 3. Причем во входном сигнале усилителя 3 присутствуют только постоянно действующие млсокочастотные колебания, а импульсный выброс, поступающий на вход фильтра, не шрохрдят на вход усилителя 3 (. в связи с наличием зоны на сыщения усилителя 2 с насыщением ) и не оказывает влияния на выходной сигнал фильтра. Однако введение апериодического звена 5 вносит запаздывание полезного сигнала при прохождении через фильтр, которое устраняется блоком 4 сигнатуры, т.е. нелинейным звеном типа сухое трение, включенным мехщу выходом усилителя 2 с насыщением и интегратором 6. Это достигается в результате того, что при скорости изменения полезного сигнала, не превьиаающей скорости изменения сигнала на выходе интегратора б (а скорость изменения сигнала на выходе интегратора б определяется величиной выходного сигнала блока 4 .сигнатуры и может принимать только ...- jv. 5 , f .. . два значения --равные по абсЗЛЙтнЫг величине и разные по знаку, выходной сигнал фильтра полностью повторяет полезный сигнал, т.е. в этом случае фильтр линеаризуется в звене с единичным козффициентом усиления. Линеаризация фильтра в звено с единичным коэффициентом усиления возможна вследствие того, что скорость изменения сигнала на выходе интегратора 6 больше скорости изменения сигнала на входе фильтра (что связано с выбором величины уровня выходного сигнала усилителя 2 с насыщением ). Это в свою очередь позволяет быстро компенсировать во бтором сумматоре 1 небольшие изменения сигнала на входе фильтра. Выходной, сигнал второго сумматора 1 при этом становится мало отличающимся от нуле вого значения, а выходной сигнал . фильтра повторяет значение полезного сигнала на входе фильтра. Постоянная составлякицая на выходе апериодического зйена 5 суммируется в первом сумматоре 7 с выходным сигналом интегратора б, в результате чего на выходе фильтра- восстанавливается значение полезного сигнала более точно, чем в прототипе, где усредненное значение полезного сигнала уменьшено. Таким образом, введение апериодического звена 5, вход которого под7oключен к выходу усилителя 3, а выход - к второму входу первого сумматора 7, и усилителя 2 с насыщением, вход которого подключен к выходу второго сумматора 1, а выход - к вхо дам усилителя 3 и блока 4 сигнатуры, позволяет устранить в выходном сигнале фильтра постоянно действующую на входе высокочастотную помеху, что повькиает зффективность фильтра. Так, например, при измерении температуры видимой части стенки фурменной полости доменной печи оптическим пирометром неизбежно появление в выходном сигнале пирометра высокочастотной составляющей, обусловленной непрерывной циркуляцией холодных кусков кокса перед фурмой. Амплитуда высокочастотной составляющей измеряемого сигнала достигает 30-40 С, .что составляет 1,5-2% от среднего значения температуры фурменной зоны. Применение предлагаемого фильтра позволяет снизить высокочастотную помеху до уровня 0,01% от указанного среднего значения, т.е. практически устранить высокочастотную помеху в выходном сигнале пирометра, не иска- . зив при этом значение теплового уровня фурменной зоны. Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность предлагаемого фильтра почти в десять раз по сравнению с известными

ФИЛЬТР ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМА|ТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащий усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор, первый сукиатор, инвертор и второй сумматор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, в нем дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель с насыщением, подключенный входом к выходу второго сумматора, а выходом - к входЕи блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу первого сумматора. ел G