Управляемый фильтр

 

УПРАВЛЯЕМЫЙ ФИЛЬТР, содержащий первый фильтр низкой частоты , первый и второй блоки сравнения , первый сумматор, первый блок анализа, включающий третий блок сравнения . Последовательно соединенные первый детектор знака, первый блок задержки и первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого детектора знака, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок срав нения, второй детектор знака, третий блок задержки и второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора знака, последовательно включенные инвертор и второй сумматор, последовательно включенные пятый блок сравнения и интегратор, выход которого соединен с первым входом пятого блока сравнения, первый вход блока анализа соединен с входом второго блока задержки, вторым входом четвертого блока сравнения и выходом первого фильтра низкой частоты , отличающийся тем, что, с целью повьппения точности выделения полезного сигнала фильтром, в него введены второй фильтр низкой частоты, нелинейн блок, последовательно включенный третий (Л фильтр низкой частоты третий сумматор, третий блок умножения и четвертьй сумматор, последовательно включенные второй блок анализа,пятый сумматор, первый блок деления и четвертый блок умножения, последовательно включенные третий блок анализа и второй блок деления, последовательно включенные третий блок деления и пятый блок умножения,причем вход первого фильтра низкой частоты соединен с входом управляемого фильтра, первым входом первого блока сравнения и вторыми входами первого, второго и третьего блоков анализа, выход первого фильтра низкой частоты соединен с вторым входом четвертого блока умножения, первым входом первого сумматора и через первый блок сравнения с входом второго фильтра низкой частоты и первым входом второго блока сравнения , выход второго фильтра низкой

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ((9) (10

4(51) С 05 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3705101/24-24 (22) 11, 03. 84 (46) 07. 04. 85, Вюл. У 13 (72) С.В. Емельянов, В.П. Авдеев, Л.А. Сульман, К,И. Диденко, Л.П. Мышляев, А.К. Черепаха и С.P. Зельцер (71) Сибирский ордена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им. С. Орджоникидзе, Центральное проектно-конструкторское бюро по системам автоматизации производства и Научно-производственное объединение по системам автоматизированного управления (53) 62-50 (088.8) (56) 1. Осмоловский П.Ф. Комбинированные измерительные следящие системы. Теория инвариантности в системах автоматического регулирования. М, "Наука", 1964, с. 238-246 .

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 3355655/09, кл. Н 03 Н 21/00, 1981 (прототип). (54)(57) УПРАВЛЯЕМЫЙ ФИЛЬТР, содержащий первый фильтр низкой частоты, первый и второй блоки сравнения, первый сумматор, первый блок анализа, включающий третий блок сравнения, последовательно соединенные первый детектор знака, первый блок задержки и первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого детектора знака, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор знака, третий блок задержки и второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора знака, последовательно включенные инвертор и второй сумматор, последовательно включенные пятый блок сравнения и интегратор, выход которого соединен с первым входом пятого блока сравнения, первый вход блока анализа соединен с входом второго блока задержки, вторым входом четвертого блока сравнения и выходом первого фильтра низкой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности выделения полезного сигнала фильтром, в него введены второй фильтр низкой частоты, нелинейный блок, последовательно включенный третий фильтр низкой частоты, третий сумматор, третий блок умножения и четвертый сумматор, последовательно включенные второй блок анализа, пятый сумматор, первый блок деления и четвертый блок умножения, последовательно включенные третий блок анализа и второй блок деления, последовательно включенные третий блок деления и пятый блок умножения,причем вход первого фильтра низкой частоты соединен с входом управляемого фильтра, первым входом первого блока сравнения и вторыми входами первого, второго и третьего блоков анализа, выход первого фильтра низкой частоты соединен с вторым входом четвертого блока умножения, первым входом первого сумматора и через первый блок сравнения с входом второго фильтра низкой частоты и первым входом второго блока сравнения, выход второго фильтра низкой

1149214

Изобретение относится к автоматике, а именно к фильтрации помехи, и может быть использовано для выделения нестационарной полезной низкочастотной составляющей измеренных сигналов на фоне сравнительно высокочастотных помех со сложными статическими свойствами и наличием зпизодических грубых выбросов.

Известны нониусные следящие системы, содержащие, например, первый и второй фильтры низкой частоты, последователъно включенные первый, второй и третий блоки сравнения, третий фильтр низкой частоты и сумматор, второй и третий вход которого соединен с выходами соответственно первого и второго фильтров низкой частоты,. выходы фильтров низкой частоты подключены также к вторым входам соответствующих блоков сравнения.-Воспроизведение входной величины производится по методу последовательных приближений Я .

Недостаток нониусных следящих систем при использовании их s качестве сглаживающих фильтров - низкая точность выделения полезного сигнала из-за того, что не учитываются нечастоты подключен к второму входу первого сумматора и через второй блок сравнения к входу третьего фильтра низкой частоты, выход первого сумматора подключен к первому входу второго блока анализа и к вторым входам третьего сумматора и пятого блока умножения,/выход третьего сумматора через третий блок анализа соединен с вторым входом пятого сумматора, третий вход которого связан с выходом первого блока анализа и вторым входом первого блока деления, выход второго блока анализа подключен к первому входу третьего блока деления, выход пятого сумматора соединен с вторым входом третьего блока деления и через второй блок деления с вторым входом третьего блока умножения, 5

25 второй и третий входы четвертого сумматора соединены с выходами соответственно пятого и четвертого блоков умножения, выход четвертого сумматора подключен к выходу управляемого фильтра, второй вход блоков анализа подключен к первому входу третьего блока сравнения, второй вход которого связан с первым входом блоков анализа, а выход — с входом первого детектора знака, выход первого блока умножения соединен с входом инвертора, а выход второго сумматора - с вторым входом пятого блока сравнения, выход второго блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выход интегратора подключен через нелинейный блок к выходу блока анализа, стационарные свойства полезного сигнала и помехи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сглаживающий фильтр, содержащий фильтр низкой частоты, включающий последовательно соединенные первый блок сравнения, ограничитель и первый интегратор, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения, блок анализа, включающий первый масштабирующий блок, первый и второй задатчики, последовательно включенные второй масштабирующий блок и первый инвертор, последовательно включенные первый детектор знака, первый блок задержки, первый блок умножения, второй блок сравнения, второй интегратор, третий блок сравнения, третий масштабирующий блок, второй инвертор и первый сумматор, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор знака, третий блок задержки, второй блок умножения, пятый блок сравне.ния, третий интегратор, шестой блок сравнения, четвертый масштабирующий блок и второй сумматор, причем вы1149214 4 ходы первого и второго задатчиков подключены к вторым входам соответственно третьего и шестого блоков сравнения, выходы второго и третьего интеграторов подключены к вторым входам соответственно второго и пятого блоков сравнения, выходы первого и второго детекторов знака подключены к вторым входам соответственно первого и второго блоков умножения, выход третьего блока сравнения соединен через первый масштабирующий блок с вторым входом второго сумматора, выход которого подключен к дополнительному входу ограничителя, выход шестого блока сравнения соединен с входом второго масштабирующего блока, выход первого инвертора подключен через первый сумматор к дополнительному входу первого интегратора, выход первого блока сравнения соединен с входом первого детектора знака, выход первого интегратора — с входом второго блока задержки, вторым входом

-четвертого блока сравнения и выходом сглаживающего фильтра, вход которого подключен к второму входу первого блока сравнения.

В сглаживающем фильтре входной сигнал поступает на первый блок сравнения, где из него вычитается выходной сигнал первого интегратора о сглаженном значении входного сигнала. Сигнал о полученной разности ограничивается ограничителем и подается на вход первого интегратора.

Остальные блоки сглаживающего фильтра предназначены для адаптации зоны ограничения ограничителя и постоянной времени интегрирования первого интегратора. Адаптация производится по двум показателям: по отклонению регистрируемого сигнала от его сглаженного значения и по скорости изменения оценки полезного (сглаженного) сигнала. Для первого и второго показателей определяются аналоги знаковых автокорреляционных моментов, оцениваются их отклонения от желаемых значений и корректировки зоны ограниче« ния и постоянной интегрирования рассчитываются пропорционально этим отклонениям )2) .

Недостатком сглаживающего фильтра является низкая точность выделе- ния полезного сигнала вследствие

55 сравнительно медленной адаптации параметров сглаживающего фильтра-.

Цель изобретения — повышение точности выделения полезного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в управляемый фильтр, содержащий первый фильтр низкой частоты, первый и второй блоки сравнения, первый сумматор, первый блок анализа, включающий третий блок сравнения, последовательно соединенные первый детектор знака, пер- вый блок задержки и первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого детектора знака, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор знака, третий блок задержки и второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора знака, последовательно включенные инвертор и второй сумматор, последовательно включенные пятый блок сравнения и интегратор, выход которого соединен с первым входом пятого блока сравнения, первый вход блока анализа соединен с входом второго блока задержки, вторым входом четвертого блока сравнения и выходом первого фильтра низкой частоты, введены второй фильтр низкой частоты, нелинейный блок, последовательно включенные третий фильтр низкой частоты, третий сумматор, третий блок умножения и четвертый сумматор, последовательно включенные второй блок анализа, пятый сумматор, первый блок деления и четвертый блок умножения, последователь1 но включенные третий блок анализа и второй блок деления, последовательно включенные третий блок деления и пятый блок умножения, причем вход управляемого фильтра соединен с входом первого фильтра низкой частоты, первым входом первого блока сравнения и вторыми входами первого, второго и третьего блоков анализа, выход первого фильтра низкой частоты соединен с вторым входом четвертого блока умножения, первым входом первого сумматора и через первый блок сравнения с входом второго фильтра низкой частоты и первым входом второго блока сравнения, выход второго фильтра низкой частоты под1149214 ключен к второму входу первого сумматора и через второй блок сравнения к входу третьего фильтра низкой частоты, выход первого сумматора подключен к первому входу второго блока, анализа и к вторым входам третьего сумматора и пятого блока умножения, выход третьего сумматора через третий блок анализа соединен с вторым входом пятого сумма- 10 тора, третий вход которого связан с выходом первого блока анализа и вторым входом первого блока деления, выход второго блока анализа подключен к первому входу третьего 15 блока деления, выход пятого сумма" тора соединен с вторым входом третьего блока деления и через второй блок деления с вторым входом третьего блока умножения, второй 20 и третий входы четвертого сумматора соединены с выходами соответственно пятого и четвертого блоков умножения, выход четвертого сумматора подключен к выходу управляемого фильт- 25 ра, второй вход блоков анализа подключен к первому входу третьего блока сравнения, второй вход которого связан с первым входом блоков анализа, а выход — с входом первого детектора знака, выход первого блока умножения соединен с входом инвертора, а выход второго сумматора — с вторым входом пятого блока сравнения, выход второго блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выход интегратора подключен че рез нелинейный блок к выходу блока анализа.

На фиг.1 представлена блок-схе- 40 ма управляемого фильтра, где x(t) входной сигнал управляемого фильтра, x(t) — выходной (полезный, сглаженный) сигнал, на фиг.2блок-схема блоков анализа. 45

Управляемый фильтр содержит первый фильтр 1 низкой частоты, включающий последовательно соединенные блок сравнения, ограничитель в виде, усилителя с насыщением и ин- . N тегратор,-выход которого подключен к входу блока сравнения, первый блок 2 сравнения, второй фильтр 3 низкой частоты, имеющий такую же структуру„ как и первый фильтр 1 55 низкой частоты, второй блок 4 срав» нения, третий фильтр 5 низкой частоты, имеющий такую же структуру, как и предыдущие два фильтра, первый 6 и третий 7 сумматоры, третий

8, пятый 9 и четвертый 10 блоки умножения, четвертый сумматор 11, первый 12, второй 13 и третий 14 блоки анализ пятый сумматор 15 второй 16, третий 17 и первый 18 блоки деления, третий блок 19 сравнения, первый детектор 20.знака, первый блок 21 задержки, первый блок 22 умножения, инвертор 23, второй блок 24 задержки, четвертый блок 25 сравнения, второй детектор 26 знака, третий блок 27 задержки, второй блок 28 умножения, второй сумматор 29, пятый блок 30 сравнения, интегратор 31 и нелинейный блок 32, реализующий кусочно-линейную зависимость.

Управляемый фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал фильтра x(t) поступает на первый фильтр 1 низкой частоты, в котором выделяется низкочастотная составляющая сигнала х (t). Сигнал х (t) вычитается в первом блоке 2 сравнения из сигнала x(t), поступающего с входа уп-равляемого фильтра. Сигнал о полученной разности x . (t) - x(t) — х (t) (1) поступает на второй фильтр 3 низкой частоты. Настройки второго фильтра

3 низкой частоты выбираются таким образом; чтобы его инерционность была в 1,5-2 раза меньше инерционности первого фильтра 1 низкой частоты. Выходной сигнал второго фильтра 3 низкой частоты Ьх (t) алгебраически суммируется в первом сумматоре 6 с выходным сигналом первого фильтра 1 низкой частоты. kIa выходе первого сумматора 6 получается сигнал х (t) = х (t) + ах (t) (2) о сглаженном на втором уровне входном сигнале x(t). Сигнал х (t) содержит более высокочастотные соси тавляющие, чем сигнал х (t) с первого уровня.

Аналогично получается сглаженный сигнал х (С) на третьем уровне.

Для этого выходной сигнал второго фильтра 3 низкой частоты вычитается во втором блоке 4 сравнения из выходного сигнала первого блока 2 срав1149214 нения. Сигнал о полученной разности g x (t} сглаживается в третьем фильтре 5 низкой частоты, инерционность которого в 1,5-2 раза меньше инерционности второго фильтра 3 низ- 5 кой частоты, и алгебраически суммируется в третьем сумматоре 7 с выходным сигналом первого сумматора 6. м

Выходной сигнал х (t) третьего сумматора 7

10 х™(t) = х (t) + л х (t) (3) rjr где Ь х (t) — выходной сигнал третьего фильтра 5 низкой частоты, 15 содер»а»т еще более высокочастотные составляющие, чем сигнал х (t). л»(Сглаженнь»е сигналы х (t), х (t) и

- III х (t) с трех уровней умножаются соответственно в четвертом 10, пятом 20

9 и третьем 8. блоках умножения на сигналы аб адаптируемых весовых коэффициентах k1(t), k" (t) и kÐ (t) и алгебраически суммируются в четвертом сумматоре 11, на выходе которого получается сигнал

x(4)=k Ь)х (ц, (4)x (м, Р (4)><ш(1 (4) Показатель Я» имеет следующие свойства: если имеет место систематическое отклонение х (t) от

z(t) положительной или отрица- 55 тельной величины, та E» (t) стремится к "+1", если систематическое отклонение отсутствует, то Е» (t) Весовые коэФфициенты k адаптируются в зависимости от свойств отклонений входного сигнала x(t) от его сглаженных значений на кажцом уровне и от свойств самих сглаженных сигналов; С этой целью входной сигнал x(t) и сигналь х (t), x (t) х (0) поступают на первый 12, второй 13 и третий 14 блоки анализа, имеющие одинаковую структуру (фиг",2) .

Показатель, характеризующий

40 свойства отклонений x(t) от х (t) где И = Т, II III определяется, например, в первом блоке 12 анализа по выражению (5) 45 E;(%)=si(»»Px(+l-x ф) ei(njx (».-.»)-х (<- ), л где » — интервал времени задержки, выбираемый в каждом конкретном случае прн практической настройке фильтра.

so стремится к "-1". Желаемым значени- ем показателя f»(t) является "-1".

Для реализации выражения (5) в третьем блоке 19 сравнения из сигнала x(t) поступающего со второго входа первого блока 12 анализа, n. f вычитается сигнал х (t), поступающий с первого входа блока 12 анализа. Сигнал о полученной разности обрабатывается в первом детекторе

20 знака с законом функционирования

»1»»риЕ „ 0 . Е„, (Ь)=ф,„ф= ". (6) и Е8„60 где F, ц () и Я»»Ä (t) — соответственно выходной и входной сигналы детектора знака.

С выхода первого детектора 20 знака сигнал поступает на первый блок 22 умножения, где умножается на свое же значение, задержанное в первом блоке 21 задержки на интерл вал времени

Показатель, характеризующий свойства полезного сигнала, а именно его гладкость, определяется, например, в первом блоке 12 анализа по выражению

EzBI =signfx (t)-к (." l).sijn(x» -ь1-х (»-» Ц.

Показатель E (С) так же, как и

F (с), стремится либо к "+1", либо к "-1". Однако желаемым значением показателя Е (t) является "+1", т.е. требуется, чтобы сигнал х (t) был гладким, а значит, и приращения его на соседних участках были одного знака. Для реализации выражения (7) сигнал о x (t). с первого входа блока 12 анализа задерживается во втором блоке 24 задержки на интерл вал времени < . Затем выходной сиг-;. нал второго блока 24 задержки вычитается в четвертом блоке 25 сравнения из сигнала x(t) . Выходной сигнал четвертого блока 25 сравнения обрабатывается с помощью второго детектора 26 знака, третьего блока

27 задержки и второго блока 28. умножения так же,.как и сигнал с выхода третьего блока 19 сравнения.

Показатели F (t) и Я (t) алгебраически суммируются.. Предварительна сигнал о E, (t).инвертируется инверторам 23. Это обусловлено тем, что показатели 1»(С) и 6 (С) имеют разные желаемые значения. Выходной сигнал инвертара 23 постуf149214

10 пает на вход второго сумматора 29; где суммируется с выходным сигналом второго блока 28 умножения. Полученный сигнал с выхода второго сумматора 29 подается на пятый блок 5

30 сравнения, .в котором иэ него вычитается выходной сигнал интегратора

31, н сигнал о полученной разности идет на вход интегратора 31> на выходе которого получается сигнал о сглаженном значении F (t) суммы показателей E, (t) и P„(t). Зтот сигнал поступает на нелинейный блок 32, в котором реализуется кусочно-.линейная зависимость, аппрокси- 5 мирующая показательную функцию, например, вида А () где А - положительное число. На выходе нелинейного блока 32 получается сигнал, который всегда имеет положитель20 ную величину.

Весовой коэффициент k (t) рассчитывается по выражению где E (t), g (t) и Е "(t) — выходные си налы соответственно первого 12, второго 13 и третьего 14 блоков анализа.

Для этого выходные сигналы блоков анализа суммируются в пятом сумматоре 15, сигнал с выхода которого по-З5 дается на вход первого блока 18 деления, в котором производится операция деления выходного сигнала Е (t)

Х первого блока 12 анализа на выходной сигнал пятого сумматора f5, Выходной сигнал первого блока 18 деления о величине k (t) подается на второй вход четвертого блока 10 умножения. Таким же образом определяются весовые коэффициенты k (t) и (t), для чего используются третий

7п

17 и второй 16 блоки деления, В описанном управляемом фильтре дано три уровня сглаживания. По аналогии может быть построен управляемый фильтр и с большим числом уровней.

Введение в управляемый фильтр нескольких уровней сглаживания с разными динамическими свойствами позволяет более оперативно отслеживать быстрые изменения полезного сигнала, например, импульсноподобного типа, что повышает точность его выделения. Иэ результатов моделирования следует, что среднеквадратическое отклонение оценки полезного сигнала от его действительного ! значения для предлагаемого управляемого фильтра на 8-12% меньше, чем для известного фильтра. Исполь- . зование управляемого фильтра в системах прогнозирующего управления ведет к увеличению точности регулирования на 0,5-1%, Зто в свою очередь дает, например, при регулировании теплового и шлакового режима доменной печи экономический эффект порядка 150 тыс. руб. в год за счет уменьшения удельного расхода кокса на 0,3-0,5% и увеличения производительности печи на

0,6-0,8%.

i 149214

" "i 49214

За з )880/32 Тираж 863 По писн е щ HHQ Ъ@ ® 1 7moyog yacc Hyoegcysag 4