Устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра Советский патент 1983 года по МПК G06G7/22 

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в составе автоматических гидрометеорологических станций.

Известно устройство преобразования прямоугольных координат в полярные, работающие по принципу пошагового уравновешивания ортогональных проекций изменения аргумента (угла), для чего в устройстве предусмотрен датчик кода приращения, коммутатор кодов, накопитель кода аргумента, синусный и косинусный преобразователи, схема сравнения, блок памяти, блок управления IjОднако вычислительные операции с проекциями вектора требуют получения на каждом шаге полнрразмерных числоимпульсных кодов, длина которых определяется произведением числа дискрет ортогональной составлякицей на число дискрет синуса или косинуса угла, что снижает быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для осреднения вектора ветра, содержащее датчик ветра, соединенный с цифровымфазометром, синусо-косинусный функциональный «преобразователь, делители, счетчики осредненных ортогональных составляющих, счетчик среднего направления, счетчик средней скорости, счетчики, узлы сравнения, шифратор, триггер, ключи. Устройство работает в двух .режимах. Первый режим - осреднение ортогональных составляющих вектора

10 ветра в течение периода осреднения. По окончании периода осреднения начинается второй режим работы устройства - преобразование полученных ортогональных составляющих вектора

15 ветра в полярные координаты, т.е. определение модуля вектора и угла 2.

во втором режиме фазометр формирует последовательности импудъсов, соответствующие кодам синуса и косинуса текущего значения аргумента, которое изменяется от О до 90 включительно, причем количество

25 пачек синусов и косинусов- для каждого значения угла paisHO значениям ортогональных составляющих. Это снижает быстродействие устройства, так как формируются число-импульсные

30 коды больших чисел.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Пocтaвлe нaя цель достигается тем, что устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра, содержащее датчик направления и скорости ветра, выходы которого соединены с соответствующими входами фазометра., выход которого соединен с первыми входами первого и второго переключателей, синусный и косинусный преобразователи, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго переключателей, а выходы - с входами первого и второго делителей, выход первого делителя соединен с первым входом третьего переключателя, выход которого соединен с входом счетчика первой ортогональной составляющей, -выход второго делителя соединен с первым входом четвертого переключателя, выход кбторого соединен с входом счетчика второй ортогональной составляющей, первые выходы счетчиков ортогональных составляюцтих соединены с соответствующими входами шифратора, а вторые выходы - с соответствующими входами первой схемы сравнения, выход шифратора соединен с первым входом счетчика аргумента, вторую схему сравнения, первый триггер, ключи, содержит также первый, второй, третий и четвертый суммирующие счетчики, первый и второй вычитающие счетчики, первый и второй счетчики фазы, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, стартстопный генератор, третий и четвертый делители, второй и третий триггеры и инвертор, при этом выход синусного преобразователя через первый ключ соединен с входами первого.суммирующего и первого вычитающего счетчиков, выход косинусного преобразователя через второй ключ соединен с входами второго суммирующего и второго вычитающего счетчика, выход стартстопного генератора соединен с входом третьего делителя, через третий ключ с входом четвертого делителя, через четвертый ключ с входом третьего суммирующего счетчика и с вторьпи входом третьего переключателя, через пятый ключ с входом четвертого суммирующего счетчика и с вторым входом четвертого переключателя, выход.четвертого делителя через шестой ключ соединен с входом первого ,счетчика фазы и. с вторым входом первого переключателя, а через седьмой ключ с входом второго счетчика фазы, выходы счетчиков фазы подключены к соответствующим входам второй схемы сравнения, выход которой соединен с входом стартстопного генератора, выходы

первого суммирующего счетчика и счетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам первого двоичного умножителя, выходы второго суммирующего счетчика и счетчик второй ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам второго двоичного умножителя, выходы первого вычитающего и третьего суммирующего счетчиков подключены к соответствующим входам третьего двоичного умножителя, выходы второго вычитающего и четвертого суммиру}ощего счетчиков подключены к соответствующим входам четвертого двоичного умножителя, выход третьего делителя соединен с входом первого триггера, первый выход которого соединен с первыми yпpaвляюш ми входами первого второго, третьего и четвертого переключателей, вторые уп1равляющие входы которых соединены с вторым входом первого триггера и с управляющими входами шифратора и первого второго и третьего ключей, вь1ходы первого и второго двоичных умножителей соединены с соответствующими « входами второго триггера, выход kotoporo соединен суправляющим входом четвертого ключа, выходы третьего и четвертого двоичных умножителей соединены с соответствующими входами третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первой схемы сравнения соединен с управляющим входом седьмого ключа и через инвертор с управляющим входом шестого ключа. ,

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит датчик 1 направления и скорости ветра, фазометр 2, синусный функциональный преобразователь (СФП) 3, косинусный функциональный преобразователь (КФП) 4, делители 5-8, стартстопный генератор 9, счетчики 10 и 11 ортогональных составляющих, суммирующие счетчики 12 - 15, вычитающие счетчики 16 и 17, счетчики 18 и 19 фазы, счетчик 20 аргумента, схемы 21 к 22 сравнения , двоичные умножители 23 26, триггеры 27 -29, инвертор 30, переключатели 31 - 34, содержащие элементы И 35 - 42, и элементы ИЛИ 4-3 - 46, шифратор 47, ключи 48 54.

Устройство работает в двух режимах. Первый режим - осреднение ортогональных составляющих вектора ветра в течение периода осреднения Т . По окончании периода осреднения начинается второй режим работы устройства - преобразование полученных ортогональных составляющих вектора де.тра в полярные координаты, т.е. определение модуля вектора и аргумента. В основу первого режима работы положен способ, основанный на зависимости между направлением ветра и положением свободно ориентирующейся флюгарки, скоростью потока и скоростью вращения.ветроприемника, с представлением измеряемых величии в ,виде серий электрических импульсов напряжения, по которому определяют синус и косинус фазового сдви га между сериями основной и опорной последовательности импульсов за каждый период основной последовательности. Измеренные значения сину совой косинусов фазовых сдвигов суммируются в счетчиках в течение периода осреднения, полученные значения прямо пропбрциональны ортогональным составляю1дам. вектора ветра ; X и у. Этот же способ положен ив основу работы прототипа. Во втором режимов работы изменяет ся дискретно значение угла причем начинается изменение для состав ляющей X со значения а для составляющей У - с , т.е. X А sind. f sin 90 У R cosdL A cos 0 При этом в начальный момент А х; А Y. Затем, если А. А, то прк ращение получает о/и/ при этом значение А увеличивается {X Const). как только становится А приращение получает , и значение А увеличивается. И так далее, до мо мента d,, . . при этом автоматически выполняется условие Л А А, . где А - Модуль вектора. Рассмотрим назначение элементов устройства. .. Датчик 1 вырабатывает две импульсные последовательности с час. тотой следования импульсов, пропорциональной скорости ветра, сдвинуты по фазе на угол, пропорциональный направлению ветра оС. Фазометр 2 служит для получения значения фазового сдвига послелювательностей с датчика ветра к моменту окончания каждого периода основной последовательности, т.е. цифровой фазометр 2 выдает на вход СФП 3 и на вход КФП код фазы и сигнал об, окончании изме рения фазы один раз в каждый период основной последовательности в тече, ние периода осреднения Tj,. СФП 3 служит для преобразования кода фазы, поступающего на еговход с выхода фазометра 2 (или с выхода счетчика 18 фазы), в число-импульсн коды синуса. КФП 4 служит для преобразования кода фазы, поступающего на его вход с выхода фазометра 2 (или с выхода счетчика 19 фазы), в число-импульсные коды косинуса, Делители 5 - 8 могут быть выполнены в виде двоичных счетчиков, емкость которых равна требуемым коэффициентам (постоянным для данного устройства) деления. Счетчики 10 и 11 ортогональных составляющих предназначены для хранения ортогональных -составляющих ; вектора ветра X и У, причем знаковглё выхрды этих счетчиков связаны с входами шифратора 47. Схекю 21 сравнения выдает сигнал в момент равенства чиселв счетчиках 18 и 19 фазы, этот сигнал поступает на стоповый вход стартстопрого генератора 9, останавливая его, что соответствует моменту получения результата, Схема 22 сравнения выдает на выходе сигнал , если число в счетчике 10 больше числа в счетчике 11, и сигнал О , если число в счетчике 10 манЁше числа в счетчике И, Двоичные умножители 23 - 26 выдают на своем выходе число импульсов, пропорциональное произведению кодов чисел, поступающих на вход каждого двоичного умножителя с выходов,счетчико& Шифратор 47 предназначен для учета номера квадранта. Устройство работает след пощим образом. Перед началом работы подается команда Начальная установка (шины этой команды не показаны) , По этой команде обнуляются все с четчикй устройства (включая и делители, если они выполнены в виде счетчиков), кроме вьгчитающих счетчиков 16 я 17 и счетчиков 18 и 19 фазы, В счетчик 16 устанавливается код sin 90 , в счетчик 17 - код cosО, в счетчик 18 - код 90, а в счетчик 19 - код О. Триггеры 27 - 29 устанавливаются в нулевое состояние. Снятием команды Начальная установка запускается генератор 9. С этого момента с выхода фазометра 2 поступают коды фазовых сдвигов последовательностей с датчика 1 ветра, причем эти значения обновляются к моменту окончания каждого периода основной.последовательности импульсов с датчика 1 ветра. Сигналы с выхода фазометра 2 через переключатель 31 поступают на вход СФП 3, а через переключатель 32 - на вход КФП 4. По каждому поступающему на его вход фазовому сдай- ГУ СФП 3 формирует последовательность, соответствующую синусу фазового сдвига, а КФП 4 - косинусу фазового сдвига. Сигналы с выхода СФП 3 через делитель 5 и переключатель 33 поступают на вход счетчика 10, ас выхода КФП 4 через делитель б и переключатель 34 - на вход счет чика 11, Суммирование в счетчиках 1 и 11 продолжается в течение периода осреднения Тр, который определяется коэффициентом деления делителя 7. Импульс с выхода делителя 7 поступает на вход триггера 27 и устанавЭто соответстливает его в вует моменту окончания первого режима и начала второго режима работы Установка в триггера 27 запрещает прохождение сигнала через элементы И 35 и 42 и разрешает прохождение сигнала через элементы И 36 и 41, Без потери общности може принять, что код числа в счетчике 11 больше кода числа в счетчике 10, В этом случае на выходе схемы 22 ключ 53 зак сравнения сигнал рыт и открыт ключ 52. Импульсы с генератора 9 через ключ 54 поступаю на вход делителя 8, с выхода которого через ключ 52 и переключатель 31 поступают на вход СФП 3, В СФП 3 в начале второго режима работы записывается код 90 по цепи Б, поэто му при поступлении импульсов на его вход СФП 3 на первый импульс входа сформирует на выходе код д I sin 91- sin , на второй Ли. ) sin sin , на третий A, sin 92 I и т.д. Импуль сы с выхода ключа 52 поступают также на вычитающий вход счетчика 18 фазы уменьшаяпоследовательно на единицу начальную установку этого счетчика., ранную 90 , Таким образом., устанавливается соответствие между углом в счетчике 18 и синусом этого угла в вычитающем счетчике 16. После первого импульса с выхода делителя 8 в рчетчике 18 остается код 1 89, в счетчике 16 (импульсы с выхода СФП 3 через ключ 48) остается код начальная установка счетчика 16 равна sin 90) sin 90 - Д sin 90°- ) sin sin 90«1, а так как | sin 91°- sin 90 sin 90°sin , то sin 90«-|sin 91 sin sin jsin sin 8SP sin 89, После второго импульса с выхода делителя 8 в счетчике 18 остается код l 88, в счетчике 16 остается код sin 88, и т.д. Итак, после каждого импульса на йходе СФП 3 на вход вычитающего счетчика 16 поступают соотв.етствующие импульсные приращения. Эти же импульсы поступают на вход счетчика 12. Если при поступлении нескольких импульсов на вход счетчика 12 на выходе двоичного умножителя 23 появится импульс, то этим импульсом триггер 28 будет установлен в Ч давая разрешение на прохождение импульсов с выхода генератора 9 через ключ 50 на вход суммирующего счетчика 14 и через переключатель 33 на суммирующий вход счетчика 10. Заполнение импульсами счетчика 14 продолжается до появления импульса на выходе двоичного умножителя 24, который устанавливает триггер 28 в О, тем самым запрещается прохождение импульсов генератора 9 через ключ 50, Описанный выше процесс идет до тех пор, пока число в счетчике 10 не станет больше числа в счетчике 11, В этом случае схема 22 сравнения формирует на выходе сигнал , прохождение импульсов с выхода делителя 8 через ключ 52 запрещается, а через ключ 53 разрешается , Импульсы с выхода элемента И 53 поступают на суммирующий вход счетчика 19 фазы, в счетчик 20, а также на вход КФП 4. По каждому импульсу на входе КФП 4 с его выхода формируется код приращения косинуса, т,е, при поступлении первого импульса с выхода КПФ 4 поступает код Aif cos l, второго - Л 2. А) cos 2 cos р - cos 2, третьего - Д Ag - ,3 cos cos 3. Таким 9бразом7 устанавливается соответствие между кодом угла в счетчике 19 и кодом косинуса в счетчике 17, на вход которого импульсы поступают с выхода КФП 4 через ключ 49. Функционирование схемы при поступлении импульсов с выхода .ключа 53 протекает аналогично описанному выше функционированию схемы при поступлении импульсов с выхода ключа 52, при этом счетчик 17 функционирует аналогично счетчику 16; 15 аналогично 14; 13 - аналогично 12; 11 - аналогично 10, триггер 29 и ключ 51 - аналогично триггеру 28 и ключу 50. Отличием является только то, что импульсы в счетчике 19 суммируются, а не вычитаются, как в счетчике 18. Если число в счетчике 11 станет больше числа в счетчике 10, на выходе схемы сравнения 28 формируется сигнал О , запрещается прохождение импульсов через элемент И 53 и разрешается прохождение импульсов через элемент И 52, Так продолжается до тех пор, пока число в счетчике 18 не станет равно числу в счетчике 19. В момент равенства схема 21 сравнения формирует на выходе сигнал, поступающий на стоповый вход генератора 9 и останавливающий его. Измерение закончено. Направление ветра зафиксировано в счетчике 20, а осредненная скорость в счетчике 11 (или 10, так как числа в этих счетчиках одинаковы).

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении быстродействия при измерениях параметров аетра. Длительность второго режима, т.е. преобразование полученных ортогональных составляющих вектора ветра в полярные координаты, в предлагаемом устройстве в несколько раз (а При больших требуемых точностях на несколько порядков) меньше, чем в известном, так кав в предлагаемом устройстве не требуется формирование больших числог импульсных кодов. Так как устройство выполнено на дискретных элементах, то оно позволяет получать практически любую точность вьгчисления, технологично и проще в эксплуатации по сравнению с устройствами на аналоговых элементах . Формула изобретения

Устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра, содержащее .датчик направления и скорости ветра, выходы которого соединены с codTBeTCTBykjtHHми входами фазометра, выход которого соединен с первыми, входами первого

и второго .переключателей, синусны-й и косинусный преобразователи, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго перек.лючателей, а выходы - с входами пёр-, вого и второго делителей, выход- : первого делителя соединен с первымл входом третьего переключателя,выход которого соединен с входом счетчика первой ортогональной составляющей, выход второго делителя соединен с. первым входом четвертого пёреклю.чателя, выход которого соединен с входом счетчика второй ортогональной составляющей, первые выходы счетчиков ортогональных составляющих соединены с.соответствующими входами шифратора, а вторые выходал - с соответствующими входами первой схемы сравнения, выход шифратора соеДийен с первым входом счетчика .аргумента, вторую схему сравнения, первый триггер, ключи, о т л и ч а. ю- щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия, оно содержит первый, второй, третий и четвертый, суммирующие счетчики, первый и вт,орой вычитающие счетчики, первый и второй счетчики фазы, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, стартстопный генератор, .третий и че.твертый делители, второй и третий триггеры и инвертор, при этом -йыход синусного преобразователя, че рез первый ключ соединен с вхолдмн

первого суммирующего и первоговычитающего счетчиков, выход косинусного преобразователя через второй ключ соединен с входами второго сум-.

мирующего и второго вычитающего счетчиков, выход стартстопного генератора соединен с входом третьего делителя, через третий ключ с входом четвертого делителя, через четвертый ключ с входом третьего суммирующего счетчика и с вторым входом третьего переключателя, через пятый ключ с входом четвертого суммирующе го счетчика и с 1зторь4м входом чет- вертого переключателя, выход четвертого делителя через шестой ключ соединен с входом первого счетч:ика , фазы и с вторым входом первого переключателя, а через седьмой ключ с входом второго счетчика фазы и с

5 вторым входом второго переключатёля выходы счетчиков фазы подключены к соответствующим входам второй схемы сравнения, выход которой соединен с входе стартстопного генератора, ,

0 выходы первого суммирующего счетчики и счетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам первого/Двоичногб умножителя, выходы второго cyMMKpsyJowero

5 счвгчика. и счетчика второй ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам второго двоичного умножителя, выходы перш ore Вычитающего и третьего суймиругощего

0 счетчиков подключены k сооФветствующим входам третьего двоичного умножителя , выходы второго вычитающего и четвертого суммигзующвго счетчиков подключены к соответствугощим ехоД(Й

5 четвертого двоичного i s нoжитeля, выход третьего дeJШтeяя соединен с входом первого триггера, первый выход которого соединен с Пб&ввМи управляющими входами первого, второго/

0 третьего и четвертого переключате- , лей, вторые управляющие входы которых соединены с вторым выходом первого триггера и с управляющими входами шифратора и первого, второго и третьего ключей, выходы первого и

5 второго двоичных умножителей соединены с соответствующими.входами вто рого триггера, выход которого соедн нен с управляющим входом четвертого ключа, выходы третьего и четвертого

0 двоичных умножителей соединены с соответствующими входами третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первой схемы сравнения соединен

5 с управляющим входом седьмого ключа и через инвертор с управляющим входом шестого ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

0

1.Авторское свидетельство СССР по заявке 2966943/18-24,

кл. G 06 G 7/22, 01.08.80.

2.Авторское свидетельство СССР № 614382, кл. G 01 Р 5/06, 1978

5 (прототип).