Фильтр для систем автоматического регулирования

 

ФИЛЬТР ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМА|ТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащий усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор, первый сукиатор, инвертор и второй сумматор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности , в нем дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель с насыщением, подключенный входом к выходу второго сумматора, а выходом - к входЕи блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу первого сумматора. ел G

- лИ

° г

ЯАТЕ:.".; 1- ";ь ХИЛЕацй

6w".. ëíìò íà МГ4

>gZVO A союз соВеТсни)(В

РЕ .ДУБЛИН

05 В 5 01

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ъ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

re делив изоы етений и оъеРытЮ н автовсномм авидатильствм.; (21) 3411670/18-24 (22) 24.03.82

:(46) 07.05.83. Бюл. 9 17 (72) В.Г- Соловьевр A.È. Капелистый, Т.Н. Фродова и B.Í. Федас (71) Киевский институт автоматики им. ХХУ съезда КПСС (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 289505, кл. G 05 В 5/01, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

9307394, кл. 6 05 В 5/01, 1970.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 560203, кл. 6 05 В 5/01, 1974 (прототип). (54) (57) ФИЛЬТР ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМА,ТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащий ! усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор, первый сумматор, инвертор и второй сумматор, о т л н ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности, в нем дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель с насьпцением, подключенный входом к выходу второго сумматора, а выходом — к входам блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу первого сумматора.

1016770

Изобретение относится к элементам систем автоматического регулирования и может быть применено в системах, в выходных сигналах датчи- ков которых имеются импульсные помехи, например в системе управления доменным процессом, в которой в качестве датчиков температуры используются оптические пирометры излучения.

Известен фильтр для систем автоматического регулирования, содержащий последовательно соединенные первый усилитель, блок сравнения, усилитель с насыщением, интегратор и второй усилитель, подключенный 15 входом к второму входу блока сравнения С1 3.

Недостатком такого фильтра является значительное, даже при отсутствии помех, воздействие на полез— ный сигнал, которое проявляется, в частности, в виде фазовых искажений, искажений формы.и т.п.

Известен фильтр для систем автоматического регулирования, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, блок сигнатуры, второй сумматор, интегратор и инвертор, подключенный выходом к второму входу первого сумматора, и дифференциатор, подключенный выходом к второму входу второго сумматора 2 .

Недостаток: э-oro фильтра — искажение полезного сигнала по амплитуде.

Наиболее близким по технической; сущности к предлагаемому является фильтр, содержащий усилитель и после довательно соединенные блок сигна- . туры, интегратор, второй сумматор, инвертор и второй сумматор, подключенный выходом к входу блока сигна- 4О туры, выходом подключенного через усилитель к второму входу первого сумматора j 3 ).

Недостатком известного фильтра является его низкая эффективность в 45 связи с искажением полезного сигнала и наличием высокочастотной помехи в его выходном сигнале.

Цель изобретения — повышение эффективности фильтра путем уменьше- О ния высокочастотной составляющей в его выходном, сигнале.

Поставленная цель достигается тем, что в фильтре для систем автоматического регулирования, содержащем усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор, первый сумматор, инвертор.и второй сумматор, дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель с ° насыщением, подключенный входом к выходу второго сумматора, а выходом— к входам блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу первого сумматора. -65

На чертеже представлена блок-схема фильтра.

Фильтр содержит второй сумматор 1„ усилитель 2 с насыщением, усилитель

3, блок 4 сигнатуры, апериодическое звено 5, интегратор 6, первый сумматор 7 и инвертор 8.

На чертеже представлена блок-схема конкретного примера выполнения фильтра, используемого в подсистеме автоматического контроля температуры фурменной зоны доменной печи. В этом случае источником внешнего сигнала является оптический пирометр излучечения l,не показан ). Второй сумматор

1 выполнен, например, в виде суммирующего операционного усилителя, первый вход которого является входом фильтра.. Выход второго сумматора 1 подключен к входу усилителя 2 с насыщением, т.е. к входу первого нелинейного звена, выполненного, например, в виде операционного усилителя с небольшим коэффициентом усиления и с ограничителями амплитулы сигнала на выходе. Выход усилителя 2 с насыщением подключен к входам усилителя

2 и блока 4 сигнатуры, т.е. к входу второго нелинейного элемента, выполненного, например, в виде операционного усилителя с большим .коэффициентом усиления с ограничителями амплитуды сигнала на выходе. Выход усилителя 3 подклю .ен к входу апериодического звена 5, реализованного, например, в виде электрической RC-цепи. Выход блока 4 сигнатуры подключен к входу интегратора 6, выполненного, например, в виде операционного интегрирующего усилителя, выход ко торого подключен к первому входу первого сумматора 7, к второму входу которого подключен выход апериодического звена 5, а выход которого является выходом фильтра и подключен к входу инвертора 8, выход кото рого подключен к второму входу второго сумматора 1.

Фильтр работает следующим образом.

Когда в выходном сигнале пирометра нет импульсных помех, нет постоянно действующей высокочастотной помехи и абсолютное значение скорости изменения полезного сигнала не превышает заданной величины, контур фильтра линеариэуется в звено с единичным коэффициентом усиления. Это объясняется тем, что при изменении сигнала на входе фильтра на выходе второго сумматора 1 появляется сигнал, который, проходя беэ искажений через „ усилитель 2 с насыщением, выводит блок 4 сигнатуры в одно иэ двух возможных состояний, при этом начинает 1 изменяться выходной сигнал интегратора 6, который, проходя через первый сумматор 7 и инвертор 8, вычи1016770

i тается во втором сумматоре 1 из входного сигнала фильтра и тем самым компенсирует его. При этом на выходе второго сумматора 1 возникает переменный сигнал большой частоты с амплитудой, близкой к нулевому значению, на выходе блока 4 сигнатуры возникает меандр. такой же частоты, а на выходе интегратора 6 постоянно поддерживается значение входного сигнала фильтра. Сигнал с выхода второго сумматора 1 без искажений проходит через усилитель 2 с насыщением . на вход усилителя 3, после чего сглаживается в апериодическом звене 5 до нулевого значения. Таким образом, выходной сигнал фильтра определяется значением выходного сигнала интегратора 6, который повторяет значение входного сигнала фильтра. В. этом случае фильтр представляет собой звено с единичным коэффициентом усиления.

При превышении абсолютного значения производной входного сигнала: фильтра заданной величины или (что то же самое) при появлении импульсного выброса выходной сигнал интегратора б не успевает скомпенсировать изменение входного сигнала фильтра, в результате чего на выходе второго сумматора 1 появляется сигнал значительной величины, который выводит усилитель 2 с насыщением в режим насыщения. Таким образом, изменение выходного сигнала фильтра в этом случае определяется суммой выходного сигнала интегратора б и медленно изменяющегося выходного сигнала апериодического звена.5, скорость которого определяется постоянной времени апериодического звена 5. Происходит сглаживание импульсного выброса

При постоянно действующей на входе фильтра высокочастотной помехе небольшой амплитуды сигнал на выходе интегратора 6 является огибающей суммарного входного сигнала снизу, если производная полезного сигнала положительна, и огибающей сверху, если производная полезного сигнала отрицательна, вследствие работы .блоt ка 4 сигнатуры, который при сильно отличающихся но абсолютной величине амплитудах положительного и отрицательного сигналов на входе принимает одинаковые по абсолютной величине и отличающиеся по знаку значения сиг нала -На выходе. Таким образом, после прохождения сигнала с. выхода интеко ратора 6 через первый сумматор 7, иивертор 8 и второй сумматор 1 на— выходе последнего выделяются высокочастотные колебания, наложенные на постоянную составляющую (положительную или отрицательную в зависимости от знака производной полезного сигнала ) с величиной амплитуды равной примерно половине. амплитуды высокочастотной помехи. Эти колебания без искажений проходят через усилитель

2 с насыщением (так как зона насыщения его выбрана таким образом, чтобы высокочастотная помеха не ограничивалась этой зоной ), усилива.ются усилителем 3 и сглаживаются. апериодическим звеном 5, на .выходе которого присутствует постоянная

10 составляющая, суммирующая в первом сумматоре 7 с выходным сигналом интегратора б и таким образом восстанавливающая значение полезного сигнала на выходе фильтра.

35 Величина коэфФициента усиления усилителя 3 выбирается из соотношения.где Q(p) — передаточная функция фильтра; р — оператор лапласа.

25 RC - постоянная времени апеРиодического звена 5.

То есть К выбирается из условия ,обеспечения неискаженной передачи постоянной составляющей высокочас30 тотных колебаний (" 1 ) и из

К11 условия обеспечения достаточной веRC личины времени фильтра )

Таким образом, введение апериодического звена 5, включенного между усилителем 3 я вторым входом первого сумматора 7, позволяет сгладить высокочастотные колебания входного сигнала, выделенные (в результате

40,действия- фильтра ) на выходе второго сумматора 1 и присутствующие во вход.ном сигнале усилителя 3. Причем во входном сигнале усилителя 3 присутствуют только постоянно действующие

45 высокочастотные колебания, а импульс. ный выброс, поступающий на вход фильтра, не:.проходит ча вход усилителя 3 (в связи с наличием зоны на сыцения усилителя 2 с насыщением ) и не оказывает влияния на выходной

50 сигнал фильтра. Однако введение апериодического звена 5 вносит запаздывание полезного сигнала при прохождении через фильтр, которое устраняется блоком 4 сигнатуры, т.е. нели55 нейным звеном типа "сухое трение", включенным между выходом усилителя

2 с насыщением и интегратором б. Это достигается в результате того, что при скорости изменения полезного

60 сигнала, не превышающей скорости изменения сигнала на выходе интегратора 6 (а скорость изменения сигнала на выходе интегратора 6 определяется величиной выходного сигнала блока 4

65 яигнатуры и может принимать только

Состави эель Г. Нефедова

Редактор Л. Филь Техред И.Далекорей Корректор Л, Бокшан

Тираж .874 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3385/47

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

-«. -.«ф

:. «ф, «М ф :. «

-Ф-..-. -:"" -- " " -10167 два значения — -равнйе по абсблютйбй величине и разные по знаку ), выходной сигнал фильтра полностью повторяет полезный сигнал, т.е. в этом случае фильтр линеаризуется в звене с единичным коэффициентом усиления.

Линеаризация фильтра в звено с единичным коэффициентом усиления возможна вследствие того, что скорость изменения сигнала на выходе интегратора 6 больше скорости изменения 10 сигнала на входе фильтра (что связано с выбором величины уровня выходного сигнала усилителя 2 с насыще" нием ). Это в свою очередь позволяет быстро компенсировать во втором 35 сумматоре 1 небольшие изменения сигнапа на входе фильтра. Выходной сигнал второго сумматора 1 при этом становится мало отличающимся от нулевого значения, а выходной сигнал фильтра повторяет значение полезного сигнала на входе фильтра. Постоянная составляющая на выходе апериодического звена 5 суммируется в первом сумматоре 7 с выходным сигналом интегратора 6, в результате чего на выходе фильтра. восстанавливается значение полезного сигнала более точно, чем в прототипе, где усредненное значение полезного сигнала уменьшено.

30.

Таким образом, введение апериодического звена 5, вход которого подключен к выходу усилителя 3, а выход — к второму входу первого сумматора 7, и усилителя 2 с насыщением, вход которого подключен к выходу второго сумматора 1, а выход — к вхоцам усилителя 3 и блока 4 сигнатуры, позволяет устранить в выходном сигнале фильтра постоянно действующую на входе высокочастотную помеху, что повышает эффективность фильтра.

Так, например, при измерении температуры видимой части стенки фурменной полости доменной печи оптическим пирометром неизбежно появление в выходном сигнале пирометра высокочастотной составляющей, обусловленной непрерывной циркуляцией холодных кусков кокса перед фурмой. Амплитуда высокочастотной составляющей измеряемого сигнала достигает 30-40 С, что составляет 1,5-2% от среднего значения температуры фурменной эоны.

Применение предлагаемого фильтра позволяет снизить высокочастотную помеху до уровня .0,01% от указанного среднего значения, т.е. практически устранить высокочастотную помеху в выходном сигнале пирометра, не исказив при этом значение теплового уровня фурменной эоны. Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность -предлагаемого фильтра почти в десять раэ по сравнению с известными