Устройство для фильтрации сигналов от периодических помех

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К, АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ к (») l 004961

Союз Советских

Социалистических

Респубики (61} Дополнительное к авт. свив-ву (22) Заявлено 26.08.81 (21) 3358755/18-24 (5I)M. Кл.

0 05 В 5/01 с присоелинением заявки МГесудауствевкый квинтет

СССР (23) П риоритет

Опубликовано 15.03.83. Бюллетень М10

Дата опубликования описания 1 5 . 03 . 83 (53) УДК 62-50 (088.8) вв аевем взееретевий

N OlNPhllllN

М. Г. Фепввер, Н. М. Грирфен, И. П. Стецюк, 3Гй;"ррВВОЙ и А, M. 4ервоный; * -, й;,) !(иевский институт автоматики им. XXV съе да КЩ „в, е"-йе вт.: ц " и (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНРЛОВ

ОТ ПЕРИОДИЧЕСКИХ, ПОМЕХ

Изобретение относится к системам автоматического управления и направлено на улучшение динамических свойств систем при наличии периодических помех.в первичных сигналах.

Во многих системах автоматического управления технологическими процессами, например, горнотранспортного оборудования непрерывного дейст1О вия (в частности карьерных роторных комплексов, рудоусреднительных машин, мельниц извлечения на обогатительных фабриках и т.п. ) технологические и конструктивные особеннос15 ти оборудования вызывают периодические колебания параметров, по которым ведется управление в системе. При этом сигналы, получаемые в результате измерения таких параметров, со- щ держат полезную для целей управления составляющую и периодическую помеху. Выделение полезных составляющих сигналов осуществляется в систе-, 2 мах управления при помощи различного .рода устройств.

Известны устройства для фильтрации помех, основанные на принципе ограничения амплитуды периодической . помехи (1 1.

Однако эти устройства не обеспечивают достаточной точности выделения полезной составляющей сигнала, так как при изменяющейся в процессе фильтрации частоте помехи .необходимо производить автоматическое изменение соответствующих параметров фильтра для того, чтобы точность фильтрации существенно не изменилась, а иэ" вестные устройства такой адаптацией не обладают.

Недостатком укаэанных устройств также является их низкое быстродействие при переходных процессах, что обусловлено наличием значительной постоянной времени в ..передаточной функции устройства..

4961

ЗФ

3 100

Высокая точность фильтрации поме. хи в широком диапазоне частот обеспечена в устройстве для фильтрации сигнала от периодических помех, действие которого .основано на принципе скользящего интегрального усреднения величины фильтруемого сигнала.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее преобразователи фильтруемого сигнала и сигнала частоты помехи, выходы которых соединены соответственно с ос новным и перемещающим входами одно" мерной итеративной структуры, например сдвигового регистра, и преобразователя состояния итеративной структуры (сумматор состояний итеративной структуры и обратный преобразователь с соответствующей связью между ними), суммирующие входы которого (входы сумматора состояний) соединены с соответствующими поразрядными выходами итеративной структуры, масштабирующий вход (вход обратного преобразователя) связан с выходом преобразователя сигнала .частоты помехи, а выход является выходом устройства 52). !

Недостатком .известного устройства является низкое быстродействие в переходных режимах, связанное с тем, что постоянная времени фильтрации такого устройства равна величине периода помехи T(t) и при низких частотах помехи может быть значительной, что будет отрицательно сказывать ся на динамических свойсraax системы автоматического. управления, в которой применяется устройство фильтрации.

Цель изобретения .- повышение быстродействия устройства фильтрации и, следовательно, уменьшение динамической ошибки системы.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для фильтрации сигналов от периодических помех, содержащее преобразователи фильтруемого сигнала и сигнала частоты помехи, одномерную итеративную структуру, основной вход которой соединен с выходом преобразователя фильтруемого сигнала, а перемещающий вход связан с выходом преобразователя сигнала частоты помехи, и преобразователь состояния итеративной структуры, суммирующие входы которого соединены с выходами соответствующих ячеек итеративной структуры, а масштабирующий вход связан с выходом преобразователя сигнала частоты помехи, введены блок вычитания, сумматор, два переключателя, блок динамической памяти и блок управления, причем два входа блока вычитания подключены к выходам соответственно одномерной итеративной структуры и преобразователя фильтруемого сигнала, а выход — к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока динамической памяти, а выход - с первым входом первого переключателя, вторым входом подключенного к выходу преобразователя состояния итеративной структуры и к входу второго переключателя, выход которого соединен с параллельными информационными входами блока динамической памяти, последовательный информационный вход которого соединен с выходом первого переключателя, сдвиговый входс выходом преобразователя сигнала частоты помехи и с входом блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами переключателей, выход первого переключателя является вы ходом устройства.

Достижение поставленной цели обеспечивается путем определения текущего значения полезной составляющей фильтруемого сигнала как суммы этой величины, определенной на предыдущем периоде изменения помехи, и приращения текущего значения этой величины за период йзменения помехи. При этом

33 введение в устройство блока вычитания с соответствующими связями обеспечивает определение .величины приращения текущего значения полезной составляющей фильтруемого сигнала за период изменения помехи, введения блока динамической памяти, последовательный информационный вход которого связан с выходом устройства, а сдви43 говый вход - с преобразователем сигнала частоты помехи, обеспечивает скользящее запоминание текущего значения полезной составляющей сигнала, получаемого на выходе устройства, на период, равный фактическому периоду изменения помехи, введение блока суммирования с соответствующими связями обеспечивает формирование сигнала суммы текущего значения полезной составляющей фильтруемого сигнала, измеренного в предыдущий период изменения помехи и получаемого на выходе блока динамической памяти, и приращения величины полезной составляющей за

S 10049 период изменения помехи, сигнал которого формируется на.выходе блока вы- читания, введение двух управляемых переключателей и узла управления с соответствующими связями обеспечивает формирование начального значения сигнала -после запуска устройства.

Такйм образом, введение в устройство новых блоков и связей обеспечивает получение на выходе устройства 1О текущего значения полезной составляющей фильтруемого сигнала непосредственно в момент измерения текущего зна. чения фильтруемого сигнала, а не через период .помехи, как в прототипе, т.е. 15 приводит к повышению быстродействия устройства фильтрации по сравнению с прототипом и. связанному с этим уменьшению динамической ошибки системы, в которой используется устройство фильт-2о рации.

На чертеже приведена блок-схема предложенного устройства для фильтрации сигнала от периодической помехи.

Устройство содержит преобразова- 25 тели 1 и 2 фильтруемого.сигнала и сигнала частоты помехи, одномерную итеративную структуру 3, основной вход которой связан с выходом преобразователя 1, сдвиговый вход — с выходом зо преобразователя 2, а выходы всех ячеек структуры соединены с соответствующими суммирующими входами преобразователя 4 состояний итеративной структуры, масштабирующий вход которого

35 связан с выходом преобразователя 2 сигнала частоты помехи, блок 5 вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом преобразователя 1 фильтруемого сигнала, а вход вычита40 . емого - с выходом последней ячейки ите ративной структуры 3, сумматор 6, первый вход которого связан с выходом блока 5 вычитания, блок 7 управления, вход которого соединен с выходом пре45 образователя 2 сигнала частоты помехи, переключатель 8, основные входы которого соединены соответственно с в выходом сумматора 6 и преобразователя

4 состояний итеративной структуры, уг, равляющий вход соединен с одним из вьг ходов блока 7 управления, а выход является выходом устройства, переключатель 9, основной вход которого связан с выходом преобразователя 4 состояний итеративной структуры, а управ55 ляющий вход - с вторым выходом блока

7 управления, а также блок 10 динамической памяти, последовательный ин1

61 6 формационный вход которого связан с выходом переключателя 8, параллельные информационные входы соединены с выходом переключателя 9, сдвиговый вход соединен с выходом преобразователя 2 сигнала частоты помехи, а выход свя-. зан со вторым входом сумматора 6.

Преобразователь 4 состояний итеративной структуры состоит из сумматора состояний итеративной структуры, выполненного, например, иэ весовых сопротивлений 11, подключенных к каждой ячейке итеративной структуры

3 и соединенных с суммирующим сопро-. тивлением 12, и обратного преобразователя, выполненного, например, в виде блока 13 умножения, Точка соединения сопротивлений 11 и !2 связана с одним из входов блока 13 умножения, второй вход которого соединен с выхо,дом преобразователя 2 сигнала частоты помехи (этот вход является масштаби,рующим входом преобразователя 4 ), а выход блока 13 яьляется выходом преобразователя 4.

При.работе устройства выходные токовые сигналй всех ячеек итеративной структуры-3, соответствующие распределению величины фильтруемого сигнала на интервапе, равном периоду помехи, через одинаковые весовые сопротивления 1, поступают на суммирующее сопроти вление 12. При этом напряжение, снимаемое с сопротивления l2, пропорционально интегралу за период помехи от величины фильтруемого сигнала. Сигнал, соответствующий этой величине, поступает на один вход блока 13 умножения, а на,второй вход последнего поступает сигнал с выхода преобразователя 2 сигнала частоты помехи, величина которого обратно пропорциональна периоду помехи. Таким образом, на вы" ходе преобразователя 4 состояний итеративной структуры формируется сигнал, величина которого соответствует среднему за период помехи интегральному значению фильтруемого сигнала.

Одномерная итеративная структура

3 может быть выполнена, например, в виде многоразрядного сдвигового ре- .

ГNCTPB.

Бгок 7 управления .может быть выполнен, например, в виде счетчика, выход которого подключен ко входу фор" мирователя управляющих сигналов, содержащего, например, два триггера.

Блок 10 динамической памяти может быт ь выполнен, например, аналогично одномерной итеративной структуре.

Устройство работает следующим об" разом. 5

Первичная информация фильтруемого сигнала и сигнала частоты периодической помехи с выхода преобразователей 1 и 2 поступает соответственно на основной и перемещающий входы ите- 10 ративной структуры 3, в которой осуществляется распределение текущих величин фильтруемого сигнала на интервале, равном фактическому периоду помехи T(t), причем сигнал на вы- 15 ходе последней ячейки структуры 3 соответствует величине фильтруемого сигнала в момент времени — Т(т.). В ггреобразователе 4 состояния итеративной структуры в текущий момент времени t осуществляется суммирование поступающих на его суммирующие входы сигналов состояния всех ячеек структуры 3 и умножение полученной суммы на величину частоты помехи, которая обратно пропорциональна периоду T(t) и сигнал которой поступает на вход масштабирования преобразователя 4 с выхода преобразователя 2, т.е. на вь.ходе преобразователя состояний итеративной структуры формируется сигнал величины Xo(t), определяемой выражением

t . О® 7Я "ВXH)43t (") t-т(Ц

7 10049б1 8 запускающий формирователь управляющих сигналов, который при этом формирует и выдает на управляющий вход переключателя 9 импульс малой длительности, а по заднему фронту этого импульса формирует потенциальный сигнал, поступающий на управляющий вход переключателя 8. Первый из указанных управляющих сигналов переводит переключатель 9 в замкнутое состояние на время, достаточное для записи выходного сигнала преобразователя 4, поступающего при этом на параллельные входы всех ячеек блока 10 динамической памяти, а после записи переводит переключатель

9 в исходное разомкнутое состояние.

Второй управляющий сигнал переводит переключатель 8 в состояние, при котором на выход устройства подается выходной сигнал сумматора. На входы сум матора 6 поступают соответственно выходной сигнал блока 5 вычитания и выходной сигнал блока 10 динамической памяти. В блоке 5 вычитания при этом производится определение разности между текущей величиной фильтруемого сигнала X(t), поступающего на вход уменьшаемого блока 5 с выхода преобразователя 1, и величиной фильтруемого сигнала, задержанного на период по мехи Х -T(t)) и поступающего на вход вычитаемого блока 5 с выхода последней ячейки итеративной структуры 3.

Выходной сигнал блока 5 вычитания соответствует, таким образом, величине приращения фильтруемого сигнала

Х х()- величина входного фильтруемого сигнала;

t - текущий момент времени.

В исходном состоянии при включении устройства на его выход через переключатель 8 подается выходной сиг нал преобразователя 4 состояний итеративной структуры. Одновременно на вход блока 7 управления поступает импульсный сигнал с выхода преобразователя 2 сигнала частоты помехи и счет чик, входящий в состав блока 7, начинает отсчитывать импульсы этого сигнала от момента включения устройства. Вмкость счетчика подобрана так, что по окончании первого после включения уст ройства периода помехи на выходе его и следнег о разряда появляется импульс, six(t) =x(t) +x -т()) (2) В блоке 1О динамической памяти осуществляется запись информации, поступающей на последовательный информационный вход в первую ячейку, и последующий сдвиг этой информации в направлении к последней ячейке выходным сигналом преобразователя 2 сигнала частоты помехи, поступающим на сдвиговый вход блока 10 динамической памяти, в результате чего сигнал на выходе последней ячейки соответствует входной величине блока 10 динамической памяти, остается неизменным.

При этом выходной сигнал сумматора < являющийся выходным сигналом устройства, соответствует величине х0() хо(т„) +х()-x(t-т()3. (3)

В дальнейшем (по окончании периода Т2) выходной сигнал блока 10 соответству9 100496 ет величине X<(t-Ttt)), а выходная величин устройства хо() =хД -T(t)3+ Y(t)-х! -T(t)), (4) т.е. соответствует сумме величины полезной составляющей сигнала íà прерыдущем периоде помехи и величины приращения текущего значения фильт-руемого сигнала за период изменения помехи (последняя величина вследствие периодичности помехи равна при- 0 ращению величины полезной составляюшей за тот же период ). Таким образом, выходной сигнал устройства соответствует функции

<-T(C).

x (<)=X (T„)+X(4)-Õ (+-Т(1Ц, 20

T (t- 4 T + T

Х (Ф.-Т®) Х()-X)<- T(a)j, а >Т +Т

При этом указанная величина выходна25 го сигнала устанавливается непосредственно в текущий момент времени фильтрации входного сигнала, что обеспечивает высокое быстродействие устройства.

Предложенное устройство может быть использовано для фильтрации периоди-ческих помех в первичных -.игналах систем автоматического регулирования, а также для целей безынерционного . 35 преобразования информации о параметрах различных технологическ«х процес сов, например при вычислении усредненных параметров потоков непрерывных поточных производств и т.п. 40

Испытания макетов разрабатываемой системы на действующем экскаваторе показывают, что применение этого устройства для фильтрации первичных сигналов системы позволяет уменьшить 45 время регулирования на 10-12 с по сравнению с использованием цля этих целей устройства - прототипа, а это обеспечивает снижение динамической ошибки системы регулирования на 2030 . формула изобретения

Устройство для фильтрации сигналов от периодических помех, содержащее

1 l0 преобразователи Фильтруемого сигнала и сигнала частоты помехи, одномерную итеративную структуру, основной вход которой соединен с выходом преабразо" вателя фильтруемаго сигнала, а перемещающий вход связан с выходом преобразователя сигнала частоты помехи, и преобразователь состояния итеративной структуры, суммирующие входы которого соединены с выходами соответствующих ячеек итеративной структуры, а масштабирующий вход связан с выходом преобразователя сигнала частоты помехи, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, в него дополнительно вверены блок вычитания, сумматор, два переключателя, блок динамической памяти и блок управления, причем два входа блока вычитания подключены к выходам соответственно одномерной итеративной структуры и .преобразователя фильтруемого.сигнала, а выход — к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока динамической памяти, а выход - с первым входам первого переключателя, вторым входом подключенного к выходу преобразователя состояния итеративной структуры и к входу второго переключателя, выход которого соединен с параллельными информационными входами блока динамической памяти, последовательный информационный вход которого соединен с выходом первого переключателя, сдеиговый входс выходом преобразователя сигнала частоты помехи и с входом блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами переключателей, выход первого переключателя является выходом устройства.

Источники информации, принятые ео внимание при экспертизе

Авторское свидетельство СССР к 7464оо, . с о В 6701, 1978.

2.. Верещагин Л. А., Рудык И.В.

Аппаратура для выполнения операции сглаживания параметров тЕхнологических потоков. -Сб.: "Средства автоматизации карьерногооборудоеания", Техника", 1976 (прототип).

1004961

Составител 8. Грибова

Техред М.Коштура Корректор Е.Рошко

Редактор M. Келемеш

Заказ 1893/60 Тираж 8 2 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 11-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент". г. Уи род, ул. Проектная, 4