Сглаживающий фильтр

 

СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР по авт.св. № 980065, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности фильтра, в нем дополнительно установлены -второй, третий и четвертый блоки управления, первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения , третий фильтр низкой частоты и второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой часто ты , третий блок сравнения, пятый фильтр низкой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой частоты, третий ключ и второй блок суммирования, вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого (фильтра низкой частоты,соединенного входом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющими входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом через второй блок управi ления к -выходу пятого фильтра низкой частоты, первый вход второго элемен (Л та И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра с низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления - с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход - с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второ-го ключа подключен к третьему входу -чЗ Первого блока суммирования. О1 00 ОЭ

СОО3 СО8КТСНМХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,SU„„1117583 эШ G 05 В 5/01

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ", Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

tlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 980065 (21) 3596617/18-24 (22) 27.05.83 (46) 07.10.84 Бюл. К - 37 (72) В.П.Авдеев, Л.А.Сульман, Л.П.Мышляев и Ю.Н.Марченко (71) Сибирский ардена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им.Серго Орджоникидзе (53) 62-50(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 980065, кл. С 05 В 5/01, 1981 (прототип) (54)(57) СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР по авт.св. N - 980065, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения эффективности фильтра, в нем дополнительно установлены второй, третий и четвертый блоки управления, первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения, третий фильтр низкой частоты и второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой часто" ты, третий блок сравнения, пятый фильтр низкой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой частоты, третий ключ и второй блок суммирования, вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого фильтра низкой частоты,соединенного входом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющими ! входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом через второй блок управления к .выходу пятого фильтра низкой ф частоты, первый вход второго элемента И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления - с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход — с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второго ключа подключен к третьему входу первого блока суммирования. Д

1 1117

Изобретение относится к устройствам фильтрации и может быть использовано в системах управления промышпенными объектами для выделения полезных низкочастотных составляющих многомерных сигналов на фоне высокочастотных стохастических и детерми— нированных помех высокого уровня.

По основному авт.св. N - 980065 известен сглаживающий фильтр, содержащий последовательно соединенные первый фильтр низкой частоты, первый блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, ключ и блок суммирования, подключенный вторым входом к вы- 15 ходу первого фильтра низкой частоты, входом подключенного к второму входу блока сравнения, выход второго фильтра низкой частоты через блок управле.ния подключен к управляющему входу ключа, причем блок управления со-, . держит последовательно соединенные детектор знака, первый сумматор, первый интегратор, первый квадратор и второй сумматор последователь

У

Ä 25 но соединенные дифференциатор, третий сумматор, второй интегратор, второй квадратор, четвертый сумматор и элемент ИЛИ, вторым входом подключенный к Выходу второго сумматора, à выхо39 дом — к выходу блока управления, входом подключенного к входам детектора знака и дифференциатора, а вторые входы первого, второго, третьего и четвертого сумматоров подключены соответственно к выходам первого

35 интегратора, первого задатчика, второго интегратора и второго задатчика (1) .

Недостатком известного сглаживающего фильтра является его низкая эффективность, т.е. низкая точность выделения полезного сигнала, обусловленная тем, что при фильтрации многомерного сигнала не учитываются взаимосвязи между составляющими этого сиг- 45 нала.

Цель изобретения — повышение эффективности фильтра.

Поставленная цель достигается тем, что в сглаживающем фильтре дополнительно установлены второй, третий и четвертый блоки управления, первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения, третий фильтр низкой частоты и второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты, третий блок сравнения, пятый фильтр низ.">83 2 кой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой часто ь;, третий ключ и второй блок суммирования вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого фильтра низкой частоты, соединенного вхо- . дом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющими входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом -через второй блок управления к выходу пятого фильтра низкой частоты, первый вход второго элемента И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход — с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второго ключа подключен к третьему входу первого блока суммирое вания.

Подключение уровней более быстродействующих фильтров (третий уровень — третий и шестой фильтры низкой частоты, второй уровень — .второй и пятый фильтры низкой частоты) производится в том случае, если их выходные сигналы одновременно содержат относительно низкочастотные составляющие или имеет место значительная скорость изменения. этих низкочастотных составляющих. Тем самым на выход сглаживающего фильтра не пропускается высокочастотная помеха и хорошо отсле>киваются изменения полезных составляющих многомерных сигналов за счет подключения уровней быстродействующих фильтров.

По аналогии можно построить фильтр с,любым числом быстродействующих уровней.

На фиг.7 представлена структурная схема сглаживающего фильтра, на фиг.2 — структурная схема блока управ— пения сглаживающего фильтра., на фиг.3 — фрагмент реализации многомерного сигнала и полезной составляющей, выделенной с помощью предлагаемого и известного фильтров.

Фильтр содержит первый фильтр 1 низкой частоты, первый блок 2 сравнения, второй фильтр 3 низкой час3 11175 тоты, первый ключ 4, первьп блок 5 суммирования, второй блок 6 сравнения, третий фильтр 7 низкой частоты, второй ключ 8, первый и третий блоки 9 и 10 управления, второй эле5 мент И ii, первый элемент И 12, второй и четвертый блоки 13 и 14 управления, четвертый блок 15 сравнения, шестой фильтр 16 низкой частоты, третий ключ 17, второй блок 18 суммирования, третий блок 19 сравнения, пятый фильтр 20 низкой частоты, четвертый ключ 21, четвертый фильтр 22 низкой частоты, детектор 23 знака, первый сумматор 24, первый интегра15 тор 25, первый квадратор 26, первый задатчик 27, второй сумматор 28, элемент ИЛИ 29, дифференциатор 30, третий сумматор 31, второй интегратор 32, второй квадратор 33, четвертьп сумма20 тор 34 и второй задатчик 35 ° При этом

Х,(t) и X (t) — составляющие измеренного многомерного сигнала, Ф I

Х„ ) и Х (t) — сглаженные сигна2 л tl лы первого уРовня; Х„(t) X (t) сглаженные сигналы второго уровня, ф ill

Х„(с) и Х „(t) — сглаженные сигналы третьего уроня, Х.„(t) и X,(t)" сглаженные сигналы составляющих многомерного сигнала. На фиг.3 обозначены полезный сигнал А, оценки полезного сигнала предлагаемым В и известным С фильтрами, а также исходный сигнал D

Все блоки 9, 10, .13 и 14 управления построены по одной схеме (фиг.2) . З5

Первый, второй, третий и четвертый ключи 4, 8, 17 и 21 являются замыкающими ключами.

Фильтры 1, 3, 7, 16, 20 и 22 низкой частоты могут быть реализованы 40 в виде последовательно включенных элемента сравнения, ограничителя сигнала и интегратора, выход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты и одному из входов элемен- 45 та сравнения, другой вход которого соединен с входом фильтра низкой частоты. Ограничитель сигнала реализован с помощью усилителя в режиме насыщЕния.. 50

Фильтры низкой частоты работают следующим образом.

Входной сигнал фильтра низкой частоты поступает на один из входов элемента сравнения, на другой вход 55 которого поступает сигнал с выхода интегратора. Сигнал о разности с выхода элемента сравнения поступает

83 4 на вход интегратора через ограничитель сигналов, которьпЪ "срезает отдельные большие выбросы. На выходе интегратора, соединенного с выходом фильтра низкой частоты, получается сглаженное значение исходного сигнала.

Сглаживающий фильтр работает сле)цующим образом.

Составляющие измеренного многомерного сигнала X„(t) и Х (с) поступают на входы фильтров 1 и 22 низкой часто.ты первого уровня соответственно. Сиг. налы с входов и выходов фильтров низкой 1 и 22 частоты поступают на первые-и вторые входы соответственно первого и третьего блоков 2 и 19 сравнения. Сигналы с выходов первого и третьего блоков 2 и 19 сравнения

Х«М = Х „(и х (ц

x qq8) =x,(t) x (<), поступают на входы фильтров 3 и 20 ю низкой частоты второго уровня соответственно. Фильтры 3 и 20 низкой частоты второго уровня являются более быстродействующими по сравнению с фильтрами 1 и 22 низкой частоты первого уровня.

Входы и вь1ходы фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня соединены с первыми и вторыми входами соответственно второго и четвертого блоков 6 и 15 сравнения. Сигналы с выходов второго и четвертого блоков 6 и 15 сравнения

v„(<) = xÄ (<) - х „(О, х, (a)=K,(t) -x, È) . поступают на входы фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня, которые являются более быстродействующими по сравнению .с фильтрами 3 и 20 низкой частоты второго уровня.

Далее вырабатываются сигналы на подключенные к входам блоков 5 и 18 суммирования фильтры 3, 20,7 и 16 низкой частоты второго и третьего уровней. Для этого выходные сигналы фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня подаются на входы первого и второго блоков 9 и 13 управления, а выходные сигналы фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня подаются на входы третьего и четвертого блоков 10 и 14 управления.

Первый блок 9 управления работает следующим образом.

i 11758 х „Ш= x „„(t) +)((,)

xq(t)=y., (t) х, - (ц

Входной сигнал первого блока 9 управления подается на вход детектора 23 знака с законом функционирования

Сигнал с выхода детектора 28 знака сглаживается экспоненциальным сгла-10 живателем, реализованным с помощью первого сумматора 24 и первого инg, гегратора 25. Если в сигнале x„(t)

Имеется относительно низкочастотная составляющая, то выходной сигнал первого интегратора 25 стремится к

+1 или -1. Если же такая составляющая отсутствует, то выходной сигнал первого интегратора стремится к О.

Выходной сигнал первого интегратора 25 поступает на первый квадратор 26» в котором устраняется знак сигнала.

Выходной сигнал первого квадратора 26 сравнивается во втором сумматоре 28 с постоянным сигналом, равным, на- 2 пример, 0,9, поступающим с задатчика 27 на вход второго сумматора 28.

Если выходной сигнал первого интегратора 25 превышает заданную величину, то срабатывает элемент ИЛИ 29

И подает сигнал на выход первого блока 9 управления.

Производится также анализ скоросл ц

0 ти изменения < ((,l . С этой целью ппределяется его.производная в дифференциаторе 30, которая сглаживает35 ся в экспоненциальном сглаживателе (элементы 31 и 32), работающем аналогично сглаживателю (элементы 24 и 25) . Слаженный сигнал о скорости изменения x " ((1 поступает на второй квадратор 33, а затем сравнивается в четвертом сумматоре 34 с постоян ной величиной, поступающей с второго задатчика 35 и выбираемой в зави45 симости от скорости изменения X< (t). л g

Если скорость изменения X„ (t) большая, то срабатывает элемент ИЛИ 29 и подает сигнал на выход блока 9 управления.

Блоки 10, 13 и 14 управления рабо- тают аналогично.

Подключение фильтров 3, 20 и 7, 16 низкой частоты второго и третьего уровней к блокам 5 и 18 суммирования производится по следующей схеме.

При наличии одновременно выходных сигналов с третьего и четвертого блоков 10 и 14 управления, что свидетель3 6 л и / ствует о наличии в сигналах Х, 6 и Х,1 (М относительно низкочастстных составляющих или больших скоростей изменения этих составляющих, срабатывает второй элемент И 11 и подает сигнал на управляющие входы второго и третьего ключей 8 и 17. При поступлении сигналов на управляющие входы второго и третьего ключей 8 и 17,сигнальные входы этих ключей ,соединяются с их выходами, подключая тем самым выходы фильтров 7 и 16 низкой частоты к входам первого и второго блоков 5 и 18 суммирования.

Выходные сигналы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны

Х„(1) = ХÄ (t)+Х„ - (t) X„1(Ц

XqИ) = X (t) X- (t) wÕ (t) Если хотя бы в одном из выходных сигналов фильтров 7 и 16 низкой частоты отсутствует низкочастотная составляющая или большая скорость ее изменения, то второй и третий ключи 8 и 17 разомкнуты.

При наличии одновременно выходных сигналов с первого и второго блоков

9 и 13 управления, что свидетельствует о наличии в сигналах м „ (С)и Х Й) относительно низкочастотных составляющих или больших скоростей их изменения, срабатывает первый элемент И 12 и замыкает первый и четвертый ключи 4 и 21, которые работают аналогично второму и третьему ключам

8 и 17. Тем самым подключаются к входам первого и второго блоков 5 и 18 ) суммирования выходы соответственно второго и пятого фильтров 3 и 20 низкой частоты.

Выходные сигналы первогс и второго сумматоров блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны

При отсутствии относительно низкочастотных составляющих в выходных сигналах фильтров 3, 20 и 7, 16 низкой частоты соответственно второго и третьего уровней на входы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования поступают только выходные сигналы фильтров 1 и 22 низкой частоты первого уровня. Выходные сигналы первого

17583

@ил /

guZ.2

7 11 и второго блоков 5 и t8 суммирования в этом случае равны соответственно

1 х,(e)=x, И1, х (С) =х, й)Введение предлагаемых блоков и связей позволяет повысить эффектив1ность сглаживающего фильтра (т.е, повысить точность выделения многомер8 но1-о полезного сигнала) по сравнению с известньп1 фильтром на 10-357 за счет учета взаимосвязей составляющих многомерного сигнала. Большой разброс повышения точности объясняется разнообразием структур полезных сигналов.

Умсньшение среднемодульной ошибки выделения полезной составляющей многомерного сигнала составляет 317.

1i17З83

< f2 . Ц

Рф

Ф

Ъ о

1 ,ф

Составитель Ю.Гладков

Редактор О.Юрковецкая Техреду.Фанта Корректор В. Бутяга

Заказ 7217/30 Тираж 841 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11303S, Москва, 3(-35, Раушская наб., д. 4/5

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