Устройство для фильтрации помех в системе автоматического управления Советский патент 1982 года по МПК G05B13/02 

1

Изобретение относится к устройствам оптимальной фильтрации для сигналов постоянного тока прямоугольной формы.

Известны устройства для фильтрации сигналов, содержащие последовательно соединенные сумматор (смеситель) , фильтр низких частот, управляющий элемент и подстраиваемый генератор опорного сигнала, выход кото- j рого соединен с входом сумматора fl.

Известна также экстремальная система регулирования полосового фильтра, содер)Ч5щая последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель-пре- ,5 образователь с АРУ, фильтр низких частот, канал записи огибающей, блок запоминания экстремума, компаратор, триггер и интегратор, второй вход которого соединен с выходом генера- го тора, а выход - с входом полосового фильтра, и программное устройство, выход которого соединен с управляющими входами генератора опорного напряжения, канал записи огибающей, и ключ, который шунтирует фильтр низких частот t23.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для фильтрации помех в системах автоматического управления, -содержащее первый усилитель, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом блока автоматической регулировки усиления (АРУ), последовательно соединенные первый сумматор, первый функциональный преобразователь, второй сумматор, второй вход которого соединен с первым входом первого сумматора через второй функциональный преобразователь, и последовательно соединенные блок запоминания экстремума, первый компаратор, второй вход которого соединен с входом блока запоминания экстремума, триггер реверса, исполнительный элемент, : первый блок задержки и генератор опорного напряжения, первый выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, второй выход - с первым входом третьего сумматора и управляющим входом первого коммутатора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход с вторым входом второго сумматора, выход триггера реверса соединен с вторым входом блока запоминания экстремума. и через программный блок с своим вторым входом СЗ. Недостатком известного устройств является его низкая точность и эффективность подавления помех. Цель изобретения - повышение эффективности подавления помех. Поставленная цель достигается те что в устройстве установлены второй коммутатор, мультивибратор, порого вый блок, последовательно соединенные второй блок задержки и третий коммутатор, и последовательно соеди ненные первый, второй и третий филь рующие компенсаторы, второй усилитель, второй компаратор, первый и второй блоки совпадения, счетчик и декодирующий блок,выход которого соединен И входом блока запоминани экстремума и вторым входом второго компаратора, первый вход первого фильтрующего компенсатора соединен с выходом второго сумматора, выход третьего фильтрующего компенсатора соединен с входом второго блока задержки и вторым входом третьего сум матора, выход которого соединен с вторым входом третьего коммутатора через пороговый блок, второй вход первого блока совпадения соединен с выходом мультивибратора, выход первого усилителя соединен с первым вх дом первого cyMMatopa через второй коммутатор, первый выход генератора опорнЬго напряжения соединен с вторыми входами первого, второго и тре его фильтрующих компенсаторов, третий выход - с вторым входом второго коммутатора, четвертый выход - с третьим входом третьего сумматора, пятый выход - с вторым входом второ го блока совпадения. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 эпюры выходных напряжений основных. функциональных блоков предлагаемого устройства. Устройство содержит первый усили тель 1, блок 2 автоматического регу лирования усиления (АРУ), первый сумматор 3 первый функциональный преобразователь Ц, инвертор 5, суммирующий элемент 6, первый 7 и второй 8 фильтрующие компенсаторы, ог ранимивающий компенсатор 9, первый коммутатор 10, суммирующий элемент 11, интегратор 12, пороговый блок 13, второй 1 и третий 15 коммутаторы, второй усилитель 16, второй компаратор 17, первый блок 18 совпадения, мультивибратор 19, второй блок 20 совпадения, счетчик 21, декодирующее устройство 22, блок 23 запоминания экстремума, первый компаратор 24, триггер 25 реверса, программный блр к 26, исполнительный элемент 27, фантастрон 28, блокинг-генератор 29, генератор 30 опорного напряжения, первый 31 и второй 32 блоки задержки, второй 33 и третий 3 сумматоры, второй функциональный преобразователь 35, компенсатор Зб, DC, - сигнальное напряжение, Ufj напряжение помехи, Ug - смесь сигнала и помехи на входе коммутатора 1, UCTP напряжение строба, напряжение смеси сигнала и помехи на выходе коммутатора 14, Ugy, - опорное напряжение, U - напряжение на выходе первого сумматора 3, пряжение на выходе компенсатора 7 с режекторным фильтром в компенсационном канале, напряжение на выходе компенсатора 8 с полосовым фильтром в компенсирующем канале. напряжение на выходе компенсатора 9 с пороговым фильтром в компенсирующем канале. UQ,- импульсы программного блока 26. и( - напряжение на выходе исполнительного элемента 27, импульсы на выходе фантастрона 28, импульсы генератора 30 опорного напряжения, qti напряжение на выходе декодирующего устройства 22, - напряжение в блоке 23 запоминания экстремума. Из теории потенци альной фильтрации известно,.что для получения максимального отношения сигнал/помеха при обработке сигнала постоянного тока в виде прямоугольного импульса следует включать линейный фильтр,, согласованный с спектром сигнала. Если сигнал состоит из одиночного прямоугольного импульса длительностью TQ, такому сигналу соответствует комплексный спектр S(ju,)J;(, ), Для этого сигнала оптимальный фильтр должен иметь передаточную функцию K(jtu) (. Такая передаточная функция реал зуется в виде последовательно соед ненных интегратора, разностного ка када, второй вход которого соедине с выходом интегратора через линию задержки. Напряжение на выходе такого фил ра определяется выражением 4се () J Uc(t -t).j(r)dr; Olf: 1 V/ V, 1 где ) - импульсная переходная функция фильтра. Недостаток такого устройства состоит в том, что в оптимальном филь ре подавляется только высокочастотная составляющая помехи, низкочастотная ее составляющая остается вместе с сигналом. Обрабатываемый, сигнал существенно изменяется по форме из-за фильтрации высркочастот ных составляющих сигнала. Все эти н достатки приводят к ошибкам в измерении параметров сигнала. Рассматриваемое устройство обеспечивает подавление как высокочастотных, так и низкочастотных состав ляющих помех при безискаженной пере даме спектра сигнала через устройст во обработки. Устройство работает следующим об разом. , Смесь импульсного сигнала и помехи после нормирования по амплитуд в усилителе 1 с помощью блока АРУ 2 (фиг. 20) поступает на вход коммута тора Ц, в котором осуществляется стробирование сигнала по времени, для чего импульс строба подается с генератора 30 опорного напряжения, стробы показаны на фиг. 2г. Импульс ная смесь с выхода коммутатора поступает на входы первого и второго сумматоров 3 и 33. Причем сигнал с выхода коммутатора 1 поступает на вход сумматора 33 через функциональный преобразователь 35 в дан-, ном случае блок задержки, время которого выбирается в зависимости от 86 требований к характеристикам устройства и которое находится в диапазоне от нуля до Т. На второй вход первого сумматора 3 подается противофазное опорное напряжение с выхода генератора 30 опорного напряжения, являющееся копией входного сигнала. В результате на выходе первого сумматора 3 при наличии сигнала будет действовать только помеха. Если сигнал на входе устройства будет иметь нулевое значение, на выходе первого сумматора 3 будет смесь помехи и опорного импульса. Выход первого сумматора 3 соединен спервым функциональным преобразователем k (режекторным RC-фильтром), который компенсирует помехи в полосе его режекции. Через функциональный преобразователь Ц НОЙ части. После инвертирования инвертором 5 помеха компенсируется в суммирующем элементе 6. На выходе второго сумматора 33 помеха будет иметь узкополосный вид. Выходное напряжение второго сумматора 33 определяется равенством Un()eb.x ип()вх1:к„ф(р)1, где передаточная функция полосового фильтра К,ф(р) определяется через передаточную функцию функционального преобразователя k, включенного между первым сумматором k и инвертором 5 К,,ф(р) К 1 - Крф(р)3. Выходное напряжение сумматора 33 авно Mf)eb« с(0вх 1 - , .е. сигнал проходит компенсатор Зо ез преобразования. Сумматоры 3, 33 функциональные преобразователи 4, 5 и коммутатор 10 функционально вхоят в состав компенсатора Зб. Вид омпенсатора определяется видом приеняемого в нем функционального пребразователя k в компенсационном каале. Фильтрующие компенсаторы 7, 8 9 содержат в компенсационном канае различного рода фильтры например, олосовые, режекторные, пороговые, ильтры низких или высоких частот т.д. При нулевом значении входного игнала на выход кo.пeнcaтopa 36 проодит копия сигнала, напряжение коорого определяется зависимостью ик(1)йыч U(f)ft,.. Крф(р). Из рассмотрения эпюр выходных наряжений на фиг. 2 видно, что передаочные функции сигнала, помехи и опорного сигнала имеют различные зн чения. На этом различии и построен принцип компенсации помехи. На выходе компенсатора 36 всегда можно отличить сигнал от копии. На фиг. 2 показаны эпюры напряжений на выходе .блоков устройства, когда полезный сигнал на входе компенсатора 36 име ет нулевое- значение. Для увеличения эффективности ком пенсации широкополосной помехи следует включать несколько последовате но соединенных компенсаторов с различного рода режекторными фильтрами в. компенсационных каналах. После того, как помеха станет узкополосной , ее компенсируют с помощью компенсаторов с полосовыми фильтрами. Таким образом, каждый из применяемых компенсаторов принципиально может представить собой блок из N последовательно соединенных однотипны компенсаторов. Если при включении режекторного фильтра в компейсацион ный канал компенсатора компенсатор для помехи становится полосовым фильтром, при включении полосового фильтра в компенсационный канал ком пенсатор Эквивалентен реже торному фильтру. Так как помеха проходит по следовательно соединенные полосовой и режекторный фильтры, то это создает условие для компенсации широкополосной помехи. Итак, рассмотрим выходные напряжения сигнала, помехи, копии сигнал на выходе последовательно соединенных компенсаторов 7 и 8 с включенны ми режекторным, а затем полосовым фильтром. Сигнальное выходное напряжение будет равно Uc(f)db.x Uc(f)ex- К ... К,г где iC..-.Kf - передаточные коэффициенты вто рых сумматоров. Вб|ходное напряжение от действия помехи определяется выражением Un(f)Bb,x г 2Un(WO - KpA(p) - КПФ(Р), где Крф{р) - передаточная функция режекторного фильтра, включенного в компенсационный канал компенсатора. Подставляя в выражение UnCtJ j jx знамения 1 - Крф(р) КПФ(Р); 1 - К„ф(р) Крф(р) 8 получаем выражение для выходного напряжения помехи Un(f)0b,x KUn(f)6x- КПФ(Р).КРФ(Р). Для копии сигнала находит значение выходного напряжения Un(f)Bbix ик(Оех (p) -Крф(р). К„ф(р)+ Крф(р). Из выражения видно, что если мы хотим, чтобы выходные напряжения сигнала и копии были одинаковыми, то передаточная функция К„ф(р) должна быть равна единице, или в компенсационном канале компенсаторов 7, 8 и 9 не должно быть инерционных элементов. Отсюда, наличие полосового фильтра в компенсационном канале компенсатора 8 BHOCHt различие в спект-5 pax выходных напряжений сигнала и его копии. Разность выходных напряжений определяется зависимостью ди( ) Uc(f) - Uc( )ГКрф(р) (р)- КПФ(Р) -Крф(р)3 при Uc(f) U(f). Различие в спектрах выходных напряжений сигнала и его копии позволяет определить ситуацию UQ О или Uc 1,0. Компенсатор 9 с пороговым фильтром в компенсационном канале обеспечивает компенсацию помехи, когда ее амплитуда становится меньше-амплитуды сигнала. При этом на выходе компенсатора 9 будет полезный сигнал с неискаженным спектром, если пренебречь постоянными времени широкополосных сумматоров , т.е. осуществится полная компенсация помехи. При нулевом значении входного сигнала на выходе компенсатора 9 будет его копия с преобразованным спектром. Для различения спектров на выходе компенсатора 9 выходное напряжение подается на суммирующий элемент 11, на второй вход которого гюдается копия сигнала с выхода генератора 30 опорного напряжения. Выходное напряжение суммирующего элемента 11 подается через интегратор 12 и пороговый блок 13 на вход коммутатора 15Коммутатор 15 включается, когда блок 32 задер жки определит, что на выходе устройства полезный сигнал, а не его копия. Для настройки генератора 30 опорного напряжения используется экстремальный регулятор, работа которого состоит в следующем. По сигналу про9граммного устройства 26 (фиг, Зс) начинает изменяться напряжение испо нительного элемента 27 (фиг. 35). Это напряжение изменяет время задер ки а блоке 31 задержки, состоящем и фантастрона 28, работающего в автоколеба,тельном режиме, и блокинг-генератора 29. Импульсы фантастрона 28 (фиг.Зй) подаются на блокинггенератор 29, импульсами которого (фиг. 3с) запускается г ератор 30 опорного напряжения, выходное напря жение которого за время длительност импульса отслеживается цифровой сле дящей системой, состоящей из блоков 16-22. Блок 23 запоминания экстрему ма определяет момент перехода через экстремум. При переходе через экстр мум начинается слежение за максимальным выходным напряжением компен сатора 9Технический эффект состоит в уве личении отношения сигнал/помеха на выходе устройства примерно на 10% п неискаженной передаче импульсного сигнала. Формула изобретения Устройство для фильтрации помех в системах автся атического управления, содержащее первый усилитель, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом бло ка автоматической регулировки усиле ния (АРУ), последовательно соединен ные первый сумматор, первый функциональный преобразователь, второй сумматор, второй вход которого соединен с первым входом первого сумматора череа второй функциональный преобразователь и последовательно соединеннее блок запоминания экстре мума, первый компаратор, второй вход которого соединен с входом бло ка запоминания экстремума,-триггер реверса, исполнительный элемент, первый блок задержки и генератор опорного напряжения, первый выход которого соединен с вторым входом первого сумматора,- второй выход с первым входом третьего сумматора и управляющим входом первого ком8мутатора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход с вторым входом второго сумматора, выход триггера реверса соединен с вторым входом блока запоминания экстремума и через программный блок с своим вторым входом, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности подавления помех, в нем установлены второй ком мутатор, мультивибратор, пороговый блок, последовательно соединенные второй блок задержки-и третий коммутатор и последовательно соединенные первый, второй и третий фильт- рующие компенсаторы, второй усилитель, второй компаратор, первый и второй блоки совпадения, счетчик и декодирующий блок, выход которого соединен с входом блока запоминания экстремума и вторым входом второго компаратора, первый вход первого фильтрующего компенсатора соединен с выходом второго сумматора, выход третьего фильтрующего компенсатора соединен с входом второго блока задержки и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего коммутатора через пороговый блок, второй вход первого блока совпадения соединен с выходом мультивибратора, выход первого усилителя соединен с первым входом пе{звого сумматора через вторрй коммутатор, первый выход генератора опорного напряжения соединен с вторыми входами первого, второго и третьего фильтрующих.компенсаторов, третий выход - с вторым входом второго коммутатора, четвертый выход - с третьим входом третьего сумматора, пятый выход - -с вторым входом второго блока совпадения. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Современные методы проектироания систем автоматического управения . Под ред. Б.П. Петрова. М., Машиностроение, 19б7, с. 1 97-51б. 2.Авторское свидетельство СССР , кл. G 05 В 13/02, 06.01.75. 3.Авторское свидетельство СССР 632988, кл. G 05 В 13/02, 21.06.76.

I I

28

27

tit

Фиг.1 I вариант OLffapuuHm Ш /клн/п

ж

и.

j|.hv

A HfWVHUH. t

f(Z9}

и{15)

ли

U(fS)

лш.

CC122)

ж

t

zf

ш.д