Сглаживающий фильтр Советский патент 1984 года по МПК G05B5/01 

Изобретение относится к устройствам фильтрации и может быть использовано в системах управления промышленными объектами для вьщеления п лезных низкочастотных составляющих многомерных сигналов на фоне высокочастотных стохастических и детерминированных помех высокого уровня. По основному авт.св. № 980065 известен сглаживающий фильтр, содержащий последовательно соединенные первый фильтр низкой частоты, первый блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, ключ и блок суммирования, подключенный вторым входом к выходу первого фильтра низкой частоты, входом подключенного к второму входу блока сравнения, выход второго фильтра низкой частоты через блок управления подключен к управляющему входу ключа, причем блок управления со держит последовательно соединенные детектор знака, первый сз-мматор, первый интегратор, первый квадратор и второй сумматор, последовател ,но соединенные дифференциатор, третий сумматор, второй интегратор, второй квадратор, четвертый сумматор и элемент ИЛИ, вторым входом подключенный к Зыходу второго сумматора, а выходом - к выходу блока управления, входом подключенного к входам детектора знака и дифференциатора, а вторые входы первого, второго, третьего и четвертого сумматоров подключены соответственно к выходам первого интегратора, первого задатчика, второго интегратора и второго задатчика l. Недостатком известного сглаживающего фильтра является его низкая эффективность, т.е. низкая точность выделения полезного сигнала, обусловленная тем, что при фильтрации многомерного сигнала не учитываются взаимо связи между составляющими этого сигнала. Цель изобретения - повышение эффективности фильтра. Поставленная цель-достигается тем что в сглаживающем фильтре дополнительно установлены второй, третий и четвертый блоки управления, первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения, тр тий фильтр низкой частоты и второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты, тре тий блок сравнения, пятьтч фильтр низ кой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой частоibi., третий ключ и второй блок суммирования вторым входом через четвертьц ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого фильтра низкой частоты, соединенного вхо- дом с вторым входом третьб1го блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого управления соединен с управляющими входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом -через второй блок управления к выходу пятого фильтра низкой частоты, первьш вход второго элемента И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход - с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второго ключа подключен к третьему входу первого блока суммирова ия. Подключение уровней более быстродействующих фильтров (третий уровень третий и шестой фильтры низкой частоты, второй уровень - второй и пятый фильтры низкой час:тоты) производится в том случае, если их выходные сигналы одновременно содержат относительно низкочастотные составляющие или имеет место значительная скорость изменения.этих низкочастотных составляющих. Тем самым на выход сглаживающего фильтра не пропускается высокочастотная помеха и хорошо отслеживаются изменения полезных составляющих многомерных сигналов за счет подключения уровней быстродействующих фильтров. По аналогии можно построить фильтр с. любым числом быстродействующих Зфовней. На фиг.1 представлена структурная схема сглаяшвающего фильтра, на фиг.2 - структурная схема блока управления сглаживающего фильтре.; на фиг.З - фрагмент реализации многомерного сигнала и полезной составляющей, вьщеленной с помощью предлагаемого и известного фильтров. Фильтр содержит первый фильтр 1 низкой частоты, первый блок 2 сравнения, второй фильтр 3 низкой час311

тоты, первый ключ 4, первьш блок 5 суммирования, второй блок 6 сравнения, третий фильтр 7 низкой частоты, второй ключ 8-, первый и третий блоки 9 и 10 управления, второй элемент И 11, первый элемент И 12, второй и четвертый блоки 13 и 14 управления, четвертый блок 15 сравнения, шестой фильтр 16 низкой частоты, третий ключ 17, второй блок 18 суммирования, третий блок 19 сравнения, пятый фильтр 20 низкой частоты, четвертый ключ 21, четвертый фильтр 22 низкой частоты, детектор 23 знака, первый сумматор 24, первый интегратор 25, первый квадратор 26, первый задатчик 27, второй сумматор 28, элемент ИЛИ 29, дифференциатор 30, третий сумматор 31, второй интегратор 32 второй квадратор 33, четвертьй сумматор 34 и второй задатчик 35. При этом ) и Xj(t) - составляющие измеренного многомерного сигнала; ) и X(t) - сглаженные сигналы пердого уровня; X(t) и X(t) сглаженные сигналы второго уровня, X(t) и X,,(t) - сглаженные 1 ч1-v

налы третьего уроня, Х. (t) и X(t)сглаженные сигналы составляющих многомерного сигнала. На фиг.З обозначены полезный сигнал А, оценки полезного сигнала предлагаемым В и известным С фильтрами, а также исходный сиг нал D

Все блоки 9, 10, .13 и 14 управления построены по одной схеме (фиг.2)

Первый, второй, третий и четвертый ключи 4, 8, 17 и 21 являются замыкающими ключами.

Фильтры 1, 3, 7, 16, 20 и 22 низкой частоты могут быть реализованы в виде последовательно включенных элемента сравнения, ограничителя сигнала и интегратора, выход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты и одному из входов элемента сравнения, другой вход которого соединен с входом фильтра низкой частоты. Ограничитель сигнала реализован с помощью усилителя в режиме насьпцения.

Фильтры низкой частоты работают следующим образом.

Входной сигнал фильтра низкой частоты поступает на один из входов элемента сравнения, на другой вход которого поступает сигнал с выхода интегратора. Сигнал о разности с выхода элемента сравнения поступает

75834

на вход интегратора через ограничитель сигналов, которьш срезает отдельные большие выбросы. На выходе интегратора, соединенного с выходом фильтра низкой частоты, получается сглаженное значение исходного сигнала. Сглаживающий фильтр работает слерующим образом.

Составляющие измеренного многомерного сигнала X(t) и Xj(t) поступают на входы фильтров 1 и 22 низкой частоТЫ первого уровня соответственно. Сигналы с входов и выходов фильтров низжой 1 и 22 частоты поступают на первые- и вторые входы соответственно пер5вого и третьего блоков 2 и 19 сравнения. Сигналы с выходов первого и третьего блоков 2 и 19 сравнения I

,и)

0 (2,и)--Хг(Ы-х (t).

поступают на входы фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня соответственно. Фильтры 3 и 20 низкой частоты второго уровня являются более .быстродействующими по сравнению с фильтрами 1 и 22 низкой частоты первого уровня.

Входы и выходы фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня соединены с первыми и вторыми входами соответственно второго и четвертого блоков 6 и15 сравнения. Сигналы с выходов второго и четвертого блоков 6 и 15 сравнения

(tl X/(i)-xf (U , XjiCtl Xjlt) -X/UI поступают на входы фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня, которые являются более быстродействующими по сравнению .с фильтрами3 и 20 низкой частоты второго уровня.

Далее вырабатываются сигналы на подключенные к входам блоков 5 и 18 суммирования фильтры 3, 20,7 и 16 низкой частоты второго и третьего уровней. Для этого выходные сигналы

фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня подаются на входы первого и второго блоков 9 и 13 управления, а выходные сигналы фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня подаются на входы третьего и

четвертого блоков 10 и 14 управления. Первьш блок 9 управления работает следующим образом. 1 Входной сигнал первого блока 9 управления подается на вход детектора 23 знака с законом функционирования , г-в/ л Г x/(.t)0; , №s jH x-№L;,.,, Сигнал с выхода детектора 28 знака сглаживается экспоненциальным сгл живателем, реализованным с помощью , первого сумматора 24 и первого ин.тегратора 25. Если в сигнале ) Ямеется относительно низкочастотная составлякицая, то выходной сигнал первого интегратора 25 стремится к +1 или -1. Если же такая составляющая отсутствует, то выходной сигнал Первого интегратора стремится к 0. Выходной сигнал первого интегратора 25 поступает на первый квадратор В котором устраняется знак сигнала. Выходной сигнал первого квадратора 2 Сравнивается во втором сумматоре 28 с постоянным сигналом, равным, например, 0,9, поступающим с задатчика 27 на вход второго сумматора 28. Если выходной сигнал первого интегратора 25 превьщ1ает заданную величину то срабатывает элемент ИЛИ 29 И подает сигнал на выход первого блока 9 управления. Производите также анализ скорости изменения :)(1, (-Ь) . С этой целью определяется его. производная в дифференциаторе 30, которая сглаживается в экспоненциальном сглаживатеяе (элементы 31 и 32), работающем аналогично сглаживателю (элементы 24 и 25}. Слаженньй сигнал о скорости изменения х Itl поступает на второй квадратор 33, а затем сравнивает ся в четвертом сумматоре 34 с постоя ной величиной, поступающей с второго задатчика 35 и выбираемой в зави симости от скорости изменения х (i) . Если скорость изменения (tl боль шая, то срабатывает элемент ИЛИ 29 и подает сигнал на выход блока 9 управления. Блоки 10, 13 и 14 управления рабо тают аналогично. Подключение фильтров 3, 20 и 7, 1 низкой частоть второго и третьего уровней к блокам 5 и 18 суммирования производится по следующей схеме. При наличии одновременно выходных сигналов с третьего и четвертого бло ков 10 и 14 управления, что свидетел 36ствует о наличии в сигналах (t) и iC/lt) относительно низкочастотных составляющих или больших скоростей изменения этих составляющих, срабатьгоает второй элемент И 11 и подает сигнал на управляющие входы второго и третьего ключей 8 и 17. При поступлении сигналов на управляющие входы второго и третьего ключей 8 и 17,сигнальные входы этих ключей (Соединяются с их выходами, подключая тем самым выходы фильтров 7 и 16 низкой частоты к входам первого и второго блоков 5 и 18 суммирования. Выходные сигналы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны x,U).;,t)txJu)x;U), X2(ii--x(t)x4t).c;4fci. Если хотя бы в одном из выходных сигналов фильтров 7 и 16 низкой частоты отсутствует низкочастотная составляющая или большая скорость ее изменения, то второй и третий ключи 8 и 17 разомкнуты. При наличии одновременно выходных сигналов с первого и второго блоков 9 и 13 управления, что свидетельствует о наличии в сигналах ы(1)и Xj относительно низкочастотных составляющих или большихскоростей их изменения, срабатывает первый элемент И 12 и замыкает первый и четвертый ключи 4 и 21, которые работают аналогично второму и третьему ключам 8 и 17. Тем самым подключаются к входам первого и второго блоков 5 и 18 / су1 мирования выходы соответственно второго и пятого фильтров 3 и 20 низкой частоты. Выходные сигналы первого и второго сумматоров блоков 5 и 18 суммирования в этом случае рав.ны x,it)--x;(i), X2{i|--5ijMt).X|(t) При отсутствии относительно низкочастотных соЬтавляющих в вьжодных сигналах фильтров 3, 20 и 7, 16 низкой частоты соответственно второго и третьего уровней на входы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования поступают только выходные сигналы фильтров 1 и 22 низкой частоты первого уровня. Выходные сигналы первого

7П

и второго блоков 5 и 18 суммиров-змия .в этом случае равны соответствеиио

г,

5,it) xjur,

x CU-x/tt).

Введение предлагаемых блоков и связей позволяет повысить эффективfHocTb сглаживающего фильтра (т.е. повысить точность выделения многомер838.

ного полезного сигнала) по сравнению с известным фильтром на 10-35% за счет учета взаимосвязей составляющих fнoгомерного сигнала. Большой разброс

повьпиения точности объясняется разнообразием структур полезных сигналов. Уменьшение среднемодульной ошибки выделения полезной составляющей многомерного сигнала составляет 31%.

СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР по авт.св. № 980065, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности фильтра, в нем дополнительно установлены -второй, третий и четвертый блоки управления, первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения, третий фильтр низкой частоты и второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой часто ты, третий блок сравнения, пятый фильтр низкой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой частоты, третий ключ и второй блок суммирования, вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого (фильтра низкой частоты,соединенного входом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющими входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом через второй блок управi ления к -выходу пятого фильтра низкой частоты, первый вход второго элемен(Л та И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра с низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления - с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход - с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второ-го ключа подключен к третьему входу -чЗ Первого блока суммирования. О1 00 ОЭ

П (t)

гю-4ш1з