Нелинейный фильтр

 

Изобретение относится к области нелинейной фильтрации и предназначено для подавления шумов, описываемых кусочно-целыми функциями. Цель изобретения состоит в повышении точности передачи полезного сигнала при одибБременном расширении полосы пропускания. Для этого в фильтр введен блок управления настройкой , который может быть выполнен в виде схемы выделения абсолютного значения сигнала с фиксированными уровнями вне его нелинейных зон. Блок управления настройкой управляет работой входного дифференцирующего фильтра и выходного восстанавливающего фильтра низких частот. Для исключения больших амплитут сигнала на входе восстанавливающего фильтра ,низких частот, между его входом и выходом дифференцирующего фильтра установлен амплитудный импульсный ограничитель. 4 з.п. ф-лы, 7 ил. § (Л гчэ со со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 511 4 G 05 В 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3803835/24-24 (22) 18.10,84 (46) 23.05.86. Бюл. ¹ 19 (72) А.Я.Бичуцкий (53) 62-50 (088.8) (56j Патент Великобритании

¹ 1404988, кл. G 3 R, опублик. 1975.

Авторское свидетельство СССР

N- 1124245, кл. G 05 В 13/02, 1983. (54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к области нелинейной фильтрации и предназначено для подавления шумов, описываемых кусочно-целыми функциями.

Цель изобретения состоит в повышении точности передачи полезного

„„SU„„1233101 А1 сигнала при однЬвременном расширении полосы пропускания. Для этого в фильтр введен блок управления настройкои, который может быть выполнен в виде схемы выделения абсолютного значения сигнала с фиксированными уровнями вне его нелинейных зон.

Блок управления настройкой управляет работой входного дифференцирую щего фильтра и выходного восстанавли. вающего фильтра низких частот. Для исключения больших амплитут сигнала на входе восстанавливающего фильтра низких частот, между его входом и выходом дифференцирующего фильтра установлен амплитудный импульсный ограничитель. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.!

?3310! т а ав нение;,1 (2) Х 7 Ii

+ a,, ÁëI

Y =- а + а тс ь(3) 1 Р

К " пР+ 1 (4) Изобретение относится к элементам систем автоматики и может быть использовано в качестве корректирующего звена в системах автоматического управления различного назначения.

Наибольшее применение изобретение может найти для целей подавления сигналов, описываемых кусочно †целыми функциями, т ° е. функциями, которые на интервале непрерывности их производных описываются уравнениями вида: х = а + à t +... + а о

Подавление сигналов, описываемых кусочно-целыми функциями, используется в различных нелинейных системах, например такой сигнал возникает при э измерении периодического непрерывно- 20 го сигнала с помощью датчика, имеющего люфт.

Цель изобретения — увеличение точности передачи полезного сигналя при расширении паласы прогускания Ъ фильтра.

На фиг„ 1 приведена структурная схема фильтра; на фиг. 2 — зависи— масть сигналов 7 и Х от выходного

- сигнала дифференцирующего фильтра; ЗО

IIa фиг. 3 — схема дифференцирующега фильтра; на фиг, 4 -- схема амплитудна-импульсного ограничителя; на фиг.5 — схема выходного фильтра нижних частот; на фиг.б — соотношение паласы пропускания палезнога .сигнала, в известном (О) и предлагаемом (b) фильтрах; на фиг, 7 — диаграммы рабаты фильтра.

Фильтр садерж т дифференцируюший .;g фильтр I амплитудна-импульсный агр;::-: г::..т"-.лг 2,. выходной фильтр 3 нггжпих 1астот и блОк e JrIipGBJIeHH;I:IJcòрайкай. Блок 4 представляет собой функциональный преобразователь может быть выполнен, в частнаст.я, в виде схемы выделения абсолютного значения сигнала с фиксирОванньп- и уровнями вне ега линейных зон.

Дифференцирующий фильтр 1 содержит первый сумматор 5, релейный элемент б, сглаживающий фильтр 7, первый умножитель 8 и первый интегратор 9.

Амплитудно-импульсный ограни-H." тель 2 состоит из второго сумматора

10 усилителя 11 с ограничением ,и второго интегрягаря 12.

Выходной фильтр 3 нижних частот состоит из второго умножителя 13 и формирующего звена 14.

Фильтры и 3 имеют близко взаимно обратные передаточные функции.

Порядок оператора G выбирается исходя из области применения устройcòâà. В частности, при использовании его в качестве нелинейного фильтра оператор С имеет преимуще.ственно первый порядок (редко второй). При использовании нелинейного фильтра в качестве устройства подавления кусачнс-непрерывных сигналов порядок оператора G выбирается таким образом, чта на выходе фильтра 1 подавляемый сигнал на участках непрерывности ега производных преимущественно обращается в ноль.

Рассмотрим работу фильтра при действии на ега входе сигнала Х (фиг. 7а), представляющего собой сумму полезного сигнала Х (фиг.76)

1 и аддитивного сигнала помсхи Х (фиг.7в).

Рассмотрим наиболее сложный для фильтрации случай, когда период следования полезного сигнала (для определенности примем Х = Л SinUt) и

1 перисд следования сигнала помехи, описываемого выражением (1) на участках непрерывности ега производных, совпадают. Пусть также (как наиболее сложный случай разделения сигналов)

:авпадают амплитуды полезнога сигнала и сигнала помехи.

В этом случае задачей, решаемой нелинейным фильтрам, является выделение полезно- î си г" на,ла Х, с мини.мяльными искажениями.

11:JIè блоки нелинейного фильтра кан..труктпвно выполнены па схемам (фиг.3 — 5) та он способен подавя-III сигналы,, которые на интервалах !., (! /t » 1, фиг. 7в) описываются я на интервалах t уравнением P либо другим, более высокого порядка.

Передаточные функпии фильтров 1 и 3 име:-от соответственна вид. с P += К . ; 1 (5) з р

Если входной сигнал устройства имеет вид

1233101 выполнении блоков 1 — 3 по схемам (фиг. 3 — 5) удается получится- пог— решность

0,08.

X — X„+ Х

dx<

15 где сигнал q (t) — — имеет форdt му импульсов, возникающих вследствие дифференцирования фронтов сигнала

Х (фиг.7г). х

Фильтром обеспечивается значительное подавление компоненты q(t) сигнала Y. Такое подавление основано на нелинейном разделении сигналов по частоте, Частотное разделение обеспечивается блоком 4, являющимся апериодическим звеном с постоянной времени, достаточной для прохождения полезного сигнала, если выходной сигнал сумматора 10 находится в пределах линейной зоны усилителя 11.

При появлении сигнала 1 (г.) сигнал

U выходит за пределы линейной зоны усилителя 11, т.е. происходит ограничение сигнала Q (t) на уровне "полки" усилителя 11.

20

1. Нелинейный фильтр, содержащий последовательно соединенные дифференцирующий фильтр, амплитудно-импульсный ограничитель и выходной фильтр нижних частот, о т л и ч а ю щ и й45 с я тем, что, с целью увеличения точности передачи полезного сигнала при расширении полосы пропускания фильтра, в него введен блок управления настройкой, вход которого подключен к выходу дифференцирующего фильтра, а выход соединен с управляющими входами дчфференцирующего фильтра и выходного фильтра нижних частот.

W W ° W = 1

1 2л Ь Э

55 2. фильтр по п.1 шийся тем, что настройкой выполнен

1деления абсолютного отличаюблок управления в виде схемы вызначения сигнала где Х„= А Sindt, а Х вЂ” определяется выражениями (2) и (3), то при малых 1. и 1.

А 1

Y = — „ Cos 1t + < (t), Сигнал Y восстанавливается фильтром 3, который имеет передаточную функцию, обратную передаточной функции фильтра 1, в сигнал, соответствующий полезной компоненте Xg сигнала Х. Погрешность 8 восстановления зависит от точности выполнения соотношения . де WzÄ вЂ” передаточная функция лиМейной части блока 4, и от качества подавления сигнала q (t). Эта погрешность определяется фазовыми искажениями (сдвигом t ) и амплитудными искажениями Л фазовые искажения коррекцией параметров звена 14 (фиг.5) могут быть практически полностью устранены.

Амплитудные искажения зависят от конкретного выполнения блока 2. При

Параметры блока 4 выбираются с учетом следующих требований.

При изменении сигнала Y в диапазоне — Y c Y c Y линейная харак1 1 теристика фильтра 1 должна исполь— зоваться возможно полным образом, не менее чем на 80 — 90%. Уровень

"полок" характеристики блока 4 выбирается иэ расчета минимальных искажений спектра полезного сигнала и максимального подавления сигнала помехи, Если сравнить линеаризировапные амплитудно-частотные характеристики (в относительных единицах) известного устройства (фиг.ба) и предлагаемого (фиг.бб), то видно, что при малых К, пропорциональных значению

Y .(— Y c Y Y,), полоса пропуска1 ния устройства минимальная, прп

У, (7 < У, полоса пропускания расширяется от злначения f до значе-.

1 сия f

При К = К фильтр пропускает

ViлН малые амплитуды полезного сигнала при эффективном подавлепии сигнала помехи, при увеличении К (когда растет, например, амплитуда сигнала Х ) становится возможным увеличить полосу пропускания фильтра без ухудшения его точностных характер11стик.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

123310) с фиксированными уровнями вне его линейных эон.

3. Фильтр по п,l, о т л и ч а юшийся тем, что дифференцирующий фильтр содержит последовательно соединенные .сумматор, релейный элемент и сглаживающий фильтр, последовательно соединенные умножитель и интегратор, выход которого соединен с 10 вторым входом сумматора, а выход релейного элемента соединен с первым входом уцножителя.

4. Фильтр по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что амплитудно-импульсный ограничитель содержит последовательно соединенные сумматор, усилитель с ограничением и интегратор, подключенный выходом к второму входу сумматора.

5. Фильтр по п,1, о т л и ч а юшийся тем, что выходной фильтр нижних частот содержит последовательно соединенные умножитель и формирующ е звено.

1233101

1, kx, Фиг.5

1233101

Ч М. /

Составитель П.Кудрявцев

Редактор Н.Бобкова Техред Л.Сердюкова Корректор И.Муска

Заказ 2768/48

Тираж 836 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная,4