Динамический фильтр Советский патент 1993 года по МПК G05B5/01 

СП

с

Изобретение относится к устройствам фильтрации. Цель изобретения - расширение области применения за счет формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышение точности. Динамический фильтр содержит задатчик скорости изменения входного сигнала (1), апериодическое звено (2), п сравнивающих устройств (3i-3n), n усилителей, п сумматоров (5i-5n), интеграторы (6г6п), суммирующий блок (7), два компаратора

00 N3 00

ел ел

ы

Изобретение относится к устройствам фильтрации.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышение точности.

На чертеже представлена схема динамического фильтра.

На этой схеме задатчик скорости изменения входного сигнала 1 соединен со входами первого 8 и второго 9 компараторов и вторыми входами сумматоров 5i, 62, .... 5п каждого из п последовательно включенных звеньев, каждое из которых содержит последовательно соединенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6. Выход интегратора 6п п-го звена соединен с первым входом суммирующего блока 7, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена 2, а выход суммирующего блока 7 соединен с вычитающими входами сравнивающих устройств 3i, 32Зп всех звеньев, Выход сравнивающего устройства Зп n-го звена соединен со входом апериодического звена 2 и сигнальными входами первого 11, третьего 14 и пятого 17 ключей, Выход первого компаратора 8 соединен с первым входом элемента ИЛИ 10. и управляющими входами третьего 14 и четвертого 16 ключей, выход второго компаратора 9 соединен с управляющими входами пятого 17 и шестого 19 ключей и вторым входом элемента ИЛИ 10, инверсный выход которого соединен с управляющими входами первого 11 и второго 13 ключей. Выход первого ключа 11 соединен со входом -первого интегрирующего блока

12,выход которого соединен с шиной сигнала установившейся скорости входного сигнала 20 и сигнальным входом второго ключа

13,оыход которого подключен к третьим входам сумматоров 5ь 5г5п всех звеньев. Выход третьего ключа 14 соединен со входом второго интегрирующего блока 15, выход которого соединен с шиной сигнала ошибки задания положительной скорости 21 и сигнальным входом четвертого ключа 16, выход которого подключен к четвёртым входам сумматоров 5i. 625П всех звеньев. Выход пятого ключа 17 соединен со входом третьего интегрирующего блока 18. выход которого соединен с шиной сигнала ошибки задания отрицательной скорости 22. и сигнальным входом шестого ключа 19, выход которого подключен к пятым входам сумматоров 5), 5г,..., 5п всех звеньев.

Динамический фильтр работает следующим образом. Пусть на вход фильтра поступают сигналы X + I , где X - полезный

сигнал, /л - сигнал помехи. В соответствии со схемой фиг. 1 запишем очевидные соотношения в операторной форме. Si X-i-/Ј-Z. Ri KiSi + fi Ri

Yi

Sn Yn-i-Z, Rn KnSn-if:

К Јq + Јy + Ey + Xd

Z Yn + Ys,Yn -.

/Ко

p + 1 U 0, 1

eq U(- Sn + fiqi),

Sn+ 4 ) U+ 0.1(1)

ey LT(r Sn+ Јук ), IT 0,1

Xa X + a

U

u+

.если11+ 0. 1Г 0

/

v 0, если U+ 1 или U 1 1, если Xa 3

0, если Xa д 1, если Xa - д

U

О, если Xa - д где Z - в ыходной сигнал фильтра,

Si, .... Sn - выходной сигнал сравнивающего устройства первого 3i и n-го звеньев, RI, ,.,, Rn - выходной сигнал сумматора

первого 5i и n-го 5П звеньев, Yi Yn выходной сигнал интегратора первого 6i и

n-го 6п звеньев, , ..,, Кп - коэффициент передачи усилителя первого 4i и n-го 4п звеньев, 6q - выходной сигнал второго ключа 13, fy - выходной сигнал четвертого

ключа 16, Су - выходной сигнал шестого 19 ключа, Ys и Т - выходной сигнал и постоянная времени апериодического звена 2, К0 - коэффициент передачи первого 12, второго 15 и третьего 18 интегрирующих блоков, Uвыходной сигнал элемента ИЛИ 10, U выходной сигнал первого компаратора 8,

U - выходной сигнал второго компаратора

9, Јqj - значение выходного сигнала первого

интегрирующего блока 12.на момент времени ti, при котором U 1 (начальное значение), tyt - значение выходного сигнала второго интегрирующего блока 15 на момент времени tj, при котором U+ - 1 (начальное значение), Сук значение выходного сигнала третьего интегрирующего блока 18 на момент времени тк, при котором U 1 (начальное значение), Хз - выходной сигнал задзтчикз скорости изменения сходного сигнала 1, а - ошибка задания скорости изменения входного сигнала, д и -б -уровень срабатывания соответственно первого 8 и второго 9 компараторов, Р cl/dt - оператор.

Из (-1) имеем

ZA(P) ХВ(Р) + /Ш(Р) + Ј глС(Р) + ХаС(Р),

(2)

где

А(Р) - ап+2Рп 2 + an+iPn+1 + anPn + ... + +aiP + a0 (3)

B(P) b2P +aiP + a0

(4)

C(P) an«Pn 1 + a04iP + ... + азР2 + CiP

(5) An+2 Т. ап+1 KnT + 2, an (КЛТ + 1)

Kn-1 + Кл

an-i (KnT + 1)Kn-i . Kn-2 + Kn . Kn-i

32 (KnT+1)Kn-1... Kl + Kn...K2

ai (Kn + K0T)Kn-i ... Kn a0 K0Kn-i ... Ki b2 (KnT+1)Kn-i... Ki, Ci Kn ... K2 32 b2 + Ci

Јqi, если U 1

Ју , если U+ 1

i

I ЈУк , если U 1

Учитывая, что Ха X + q, имеем

Z X+-§4S/ +ЈiS (em +q),(6)

гДе

i q0, если U 1 q ./ q , если U+ 1 | q, если U- 1

На любом отрезке времени, когда U 1, или U+ 1,или U 1,Јm const. Если для этих отрезков времени и q const (что обычно имеет место), то из (2) с учетом (3), (4) и (5)

имеем

Пусть

Кц-|ВР Г1 W /ТрЙ

где Ка - коэффициент подавления сигнала помехи /4 на частоте сщ . Как следует из (3) и (4) при определенно выбранных коэффициентах 3| (1 0, 1П+2) И D2 МОЖНО ДОСТИЧЬ

значительного (пропорционального (ф } подавления сигнала ц , поэтому из (7)

Z X, или PZ РХ (Z X) (8) Например, при шц - 10 1/сек., п - 3, Ki К2 Кз - 1 1/сек., Т 5 сек.

., ап+20 К/гБГ0,8 10°

Определим установившиеся значения Eq , Ју, и Еу . Пусть Ха 0. Тогда U 1, e Јq , X -q -q0. Из(1)

S - rrP + 1)(PZ-Ј)

Ьп (Кл Т+ 1) Р + Кп

Р(ТР +1)(ZP-fiq|)

(Kn Т+ 1) Р2 + (Кп + Ко Т)

Јq Wn{P) (PZ - fiq, ) + Јql .(10)

где

Kp(TP -ft)

Wn(P)

Kn Т 4- 1) l + (Kn + K0 Т Р + K0

(11)

если n(t) - переходная функция на единичное воздействие звена с передаточной функцией Wn(P), то с учетом (8)

Јq П(Т)(Х- Јq ) + Јql (12)

Выбором коэффициентов Ко, Кп и Т можно достичь монотонного возрастания функции n(t). Тогда на любом интервале (ti, ti+i, для которого U 1

i X - Eq| I I X - Јq (1+1) I

где Јq (1+1) - значение сигнала eq в момент времени tj+ч.

По истечении некоторого времени tic Х- Јqi 0(или n(t) - О

t tK(13)

где Л-малая величина. С учетом (13)

Јq X-Јql+ЈqI X « -q о(14)

или Јq - -q0 (15)

Аналогично можно определить установившиеся значения Ју (Ха 5) . U+ 1,

Ј -Еу + Ха) и Ју (Ха -б , U 1, Ј Ју+ + Ха считаем, что ч5 - малая величина)

Ју+ « Wn(P) (PZ - Ха - Јyt) + Јyt или

Ј+ Wn(P) (V - Јyt) + Јyt

Јy+ n((t)(-q+- Јyt)+Јyt

Јy+ -, -q Аналогично

Ј- n(t) (-q - ЈyK) + Јук)

Ју - Ч

(16)

(17)

Таким образом, рассматриваемый ди- намический фильтр без искажения пропускает полезный сигнал X и осуществляет подавление сигнала помехи с коэффициентом подавления К« , что непосредственно следует из (7).

Оценим точность известного и предлагаемого динамического фильтра. Пусть Ха представляет собой некоторую знакопеременную функцию частотой сш , причем

Xa X-f q, Ха ХА + qA,

(18)

где Ха ,ХА и qA - амплитуда первой гармоники ряда Фурье соответственно сигналов Ха, X и q (рассуждения справедливы и для других гармоник рядя Фурье этих сигналов). Погрешность р динамического фильтра оценим в виде

п- Р х„

Х0

(19)

где Х0 - амплитуда истинности сигнала, Хф - фактическое значение сигнала Z на выходе динамического фильтра.

Истинное значение Х0 (Хад + QA) ft)u , фактическое значение Хф можно определить в виде

Хф Х0 + WTq( ) qA,(20)

где Wjq{ ) - коэффициент передачи известного фильтра по отношению к сигналу q. Коэффициент передачи WTq(ft)u) можно оценить в виде

WTqCov)- ±

(21)

Если, например, qA 0,1 Ха , то погрешность известного фильтра р при (Уи 3 1 /сек, будет равна 0,09 (9%).

Для рассматриваемого динамического фильтра (q+ q qA const) погрешность р сводится к нулю, как это следует из (7) (считаем, что коэффициент подавления К// высок).

Предлагаемая схема динамического фильтра расширяет функциональные возможности за счет формирования на выходе первого 12, второго 15 и третьего 18 интегрирующих блоков соответственно сигнала установившейся скорости входного сигнала, сигнала ошибки задания положительной скорости и сигнала ошибки задания отрицательной скорости. Как следует из (15), выходной сигнал первого интегрирующего блока 12 соответствует фактической скорости входного сигнала при Ха 0 (или установившейся скорости входного сигнала).

Предлагаемый динамический фильтр пропускает без искажения полезный сигнал X и осуществляет подавление сигнала помехи с коэффициентом подавления К,и .

Формула изобретения

Динамический фильтр, содержащий зэдатчик скорости измерения входного сигнала, апериодическое звено, первый

интегрирующий блок, суммирующий блок и

последовательно соединенные п звеньев, каждое из которых содержит последовательно включенные сравнивающее устройство, усилитель, сумматор и интегратор, при

этом выход интегратора п-го звена соединен с первым входом суммирующего блока, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена, вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства n-го звена, а выход задатчика скорости изменения входного сигнала подключен к вторым входам сумматоров всех звеньев, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем

формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышения точности, в него дополнительно введены первый и второй компараторы, второй и третий интегрирующие блоки, с первого по шестой ключи и элемент ИЛИ, инверсный выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом первого компаратора и

управляющими входами третьего и четвертого ключей, второй вход элемента ИЛИ соединен с выходом второго компаратора и управляющими входами пятого и шестого ключей, входы первого и второго компараторов соединены с выходом задатчика скорости изменения входного сигнала, выход сравнивающего устройства n-го звена соединен с сигнальными входами первого, третьего и пятого ключей, выходы которых

подключены соответственно к входам первого, второго и третьего интегрирующих блоков, выходы которых соединены с сигнальными входами второго, четвертого и шестого ключей, выходы которых подключены соответственно к третьим, четвертым и пятым входам сумматоров всех звеньев, вычитающие входы всех сравнивающих устройств соединены с выходом суммирующего.блока, при этом выход первого интегрирующего блока является выходом установившейся скорости входного сигнала, выход второго интегрирующего блока является выходом сигнала ошибки задания положительной скорости, выход

третьего интегрирующего блока является выходом сигнала ошибки задания отрицательной скорости.