Динамический фильтр

 

Изобретение относится к устройствам фильтрации. Цель изобретения - расширение области применения за счет формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышение точности. Динамический фильтр содержит задатчик скорости изменения входного сигнала (1), апериодическое звено (2), п сравнивающих устройств (3i-3n), n усилителей, п сумматоров (5i-5n), интеграторы (6г6п), суммирующий блок (7), два компаратора

p() ) СОЮЗ COf3f-: ТСКИХ

СОПИАЛИСТИЧЕСКИХ

P E(.ПУБЛИК (st)5 G 05 В

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 5006093/24 (22) 19.07.91 (46) 15.07.93. Бюл. М 26 (71) Головное конструкторское бюро Научно-и роизводствен ного объединения "Э нергия" (72) Г,Я.Леденев (73) Головное конструкторское бюро Научно-производственного. объединения "Энергия" (56) Авторское свидетельство СССР

М 1029141, кл. G 05 В 13/02, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 1388828, кл. G 05 В 13/02, 1988.

„,,5U „„1828551 АЗ.(54) ДИНАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к устройствам фильтрации. Цель изобретения — расширение области применения за счет формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышение точности. Динамический фильтр содержит задатчик скорости изменения входного сиг-. нала (1), апериодическое звено (2), и сравнивающих устройств (31-3п), и усилителей, и сумматоров (51 — 5п), интеграторы (6)-6п), суммирующий блок (7), два компаратора (8, 9), элемент ИЛИ (10), шесть ключей (11, 14, 17, 13, 16, 19). 1 ил.

1828551

} =- Fq + «y 4- «y + Ха, +

>в+ 5> >П ° 5

Tr +1

U = (О, 1) U =(0, 1) (1) U =}О, 1) U =О или U =1

О, если Ха <д i, если Ха -д

Изобретение Относится к устройствам фильтрации.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышение

ТОЧНОСТИ.

На чертеже представлена схема динамИчЕСКОГО фИЛЬТРа.

На этой схеме задатчик скорости изменения входного сигнала 1 соединен со входами первого 8 и второго 9 компараторов и вторыми входами сумматоров 5l, 52, ..., 5n каждого из и последовательно включенных звеньев, каждое из которы„с:одержит последовательноо соединенные сравнивающее устройство 3, усилитель 4, сумматор 5 и интегратор 6, Выход интегратора 6> n-ro звена соединен с первым входом суммирующего блока 7, второй вхОД которого подкл}очен к вь ходу аг}ериодического звена 2, а выход суммиру}ощего блока 7 соединен с вычита}ощими входами сравнивающих устройств

3I, Зг, ..., Зв ВСЕХ ЗВЕНЬЕВ, ВЫХОД СраВНИВающего устройства 3, п-го звена соединен со входом апериодического звена 2 и сигнальными входами первого 11, третьего 14 и пятого 17 ключей, Выход первого компара То}33 8 соединен с первым входом элемента

ИЛИ 10 и управля}ощими входами третьего

14 и четвертого 16 ключей, выход второго

KovIl >pGTop3 9 соединен с управля>ощими входами пятого 17 и шестого 19 ключей и вторым входом элемента ИЛИ 10, инверс. ный выход которого соединен с управляющими входами первого 11 и второго 13 ключей, Выход первого ключа 11 соединен со входом .первого интегрирующего блока

12, выход которого соединен с шиной сигнала установившейся скорости входного сигнала 20 и сигнальным входом второго клю га

13, выход которого подключен к третьим. входам сумматоров 51, 52, ..., 5П всех зьеньев, Выход третьего ключа 14 соединен со входом второго интегрируощего блока 15, выход которого соединен = шиной сигнала ошибки задания положительной скорости

2 и сигнальным входом четвертого клиона

16, выход которого подклюЧен к четвертым

ВХОДаМ СуММатОрОВ 5l, 5g, ..., 5л аСЕХ ЭВЕНЬев. Выхоц пятого ключа 17 соединен со Входом третьего интегрирующего блока 18, выход которого соединен с шиной сигнала ошибки задания отрицательной скорости 22. и сигнальным входом шестого ключа 19, выход которого подключен к пятым входам сумматоров 5}, 5}, ..., 5в всех звеньев, Динамический фильтр работает следующим образом. Пусть на вход фильтра поступают сигналы X + p, где Х вЂ” полЕэный

30 э5

4 сигнал, p — сигнал помехи. В соответствии со схемой фиг, 1 запишем очевидные соотношения в операторной форме.

Sl = X -+P- Z, 81 = K} Sl + «

В1

Y1= —.

Sn = в-} - Z, Rn = VinSn+«

Ко

«q=О(— Sn+ FqI), Р

-}- + Kn

«y U (— „, Sn+ «y} ), / -> = U(— Sn+ «ук )

Ха=Х+а

: 1,еслибы =О

}} — / !

О, если U =1

:1, если Уа =«д

О, если Ха >- д где Z — выходной сигнал фильтра, S1, ..., Sn — ВЫХОДНОЙ СИГНаЛ СРаВНИВаЮщего устройства первого 31 и n-ro звеньев, Rl, „„Rr — — выходной сигнал сУмматоРа первого 5} и и-го 5п звеньев, YI...„Yn— выходной сигнал интегратора первого 61 и

П-rO 6 ЗВЕНЬЕВ, К1, ..., Kn — КОЭффИцИЕНт передачи усилителя первого 41 и и-го 4п звеньев, «л — выхоДной сигнал втоРОго ключа 13, «y — выходной сигнал четвертого

+ кл}оча 16, «y — выходной сигнал шестого 19 кл}оча, $ и Т выхОДной cvlrHBll и постоян

íà-! времени апериодического звена 2, К0— коэффициент передачи первого 12, второго

15 и третьего 18 интегрирующих блоков, U— выходной сигнал элемента ИЛИ 10, U выходной сигнал первого компаратора 8, U — вь1ходной си нал второго КОмпаратОра

9, «с} — значение выходного сигнала первого интегрирующего блока 12 на момент времени б, при котором U =- 1 (начальное значение), «у} - значение выходного сигнала второго интегрирующего блока 15 на мо+ мент времени Ц, при котором U = 1 (начальное " íà÷åíèå), бр< — значение выходного сигнала третьего интегрирующего блока 18 на момент времени тк, при котором U = 1 (начальное значение), Ха — выходной сигнал задатчика скорости изменения входного сигнала }, а — ошибка задания скорости из1828551 менения входного сигнала, д и - д — уровень срабатывания соответственно первого

8 и второго 9 компараторов, Р = d/dt— оператор.

Из (1) имеем

ZA(P) = ХВ(Р) + /(В(Р) + е mC(P) + Ха С(Р), (2). где

Л(Р) = ап+2Рп + ап+1Р" + a„P + „. +

+а1Р+ ао (3)

B(P) = ЬгР + а1Р + ао г

C(P) = ап+2Р + an+1P + ... + азР + С1P (5)

An+2 = Т, ап+1= КпТ+ 2, ап =(KnT+1)

Кп-1+ Кп ап-1 = (KnT + 1)Kn-1 ° Kn-2 + Кп . Кп-1 а2 = (KnT+ 1)Kn-1 ". K1+ Kn...K2 а1 = (Кп + К,Т)К,-1 ... К1, ao = KoKn-1 .... K1

b2 = (KnT + 1)Kn-1 ". К1, C1 = Kn " K2 а2 = Ьг+ С1

aq1, если U = 1 еm =- „„Ezf, если U+=1 ! (еу», если 0 = 1

Учитывая, что Ха = Х+ q, имеем

Z = Х +,и + (е m +о ), (б)

P СР где

qo. если U =1

q=, q,åñëèU =1 ц, если 0-=1

На любом отрезке времени, когда U = 1, или

0 = 1, или 0 = 1, е гп = const. 1:-cëè äëÿ çòèx отрезков времени и q = const (что обычно имеет место), то из (2) с учетом (3), (4) и (5) имеем

Z = X+ + .—,и

Пусть

18(I )Г1

А!ир где Кц — коэффициент подавления сигнала помехи р на частоте вр . Как следует из (3) и (4) при определенно выбранных коэффициентаха (! =0,1, ..., и+2)и Ьг можнодостичь значительного (пропорционального иф ) подавлсния сигнала р, поэтому из (7)

Z = Х, или PZ = РХ (Z = Х) (8)

Например, при гф = 10 1/сек., n =- 3, К1=

=Кг = Кз = 1 J/сек., Т = 5 сек, ап + г и — 0,8 10з

Ьг

Определим установившиеся значения ея, еу, и еу. Пусть Ха =О. Тогда U =, е = еп, Х = -q = -ц О. И 3 (1)

Р— eq() (K. Т+ 1) Рг + (Кп + К<, Т) P K. и

10 ея = Wn(P) (Р - qi ) + aqua где (10) Wn(P)—

Кп Т + 1) Р + (Кп + Ко Т Р + Ко (11) если П(1) — переходная функция на единичное воздействие звена с передаточной функцией У/п{Р), то с учетом (8) ея = fl(t) (X - aqua ) + ея (12)

Выбором коэффициентов Ко. Кп и Т можно достичь монотонного возрастания функции

П(). Тогда на любом интервале (t;, 1н1, для которого 0 = 1

X- еяi I > I Х- ея(н-1} I где ея (i+1) — значение сигнала ея в момент

ВРЕМЕНИ 1;+1, По истечении некоторого времени т»

Х - ея1 < 0 (или Щ - 1)

- т» (13) где Л вЂ” малая величина. С учетом (13)

Q = Х - Eqi + Eq1 = Х = -q о (14) или еп - -qn (15)

Аналогично можно определить установившиеся значения еу (Xa >д}, U = 1, +

35 е=е+ +Ха)ие (Ха<-д, 0-=1, е=е„+

+ Ха считаем, что -д — малая величина)

Еу =- Wn(P} (PZ - Xa - Еу ) + Еу

+ + + или

40 еу = Wn(P) =q - еу ) + еу

= П((т) (-q - еф) + еф

Еу - -Ц (16)

Аналогично еу = П(с) (-q - е») + е,„) еу-, -q (17) Таким образом, рассматриваемый динамический фильтр без искажения пропускает полезный сигнал X и осуществляет подавление сигнала помехи с коэффициентом подавления Ка, что непосредственно следует из {7).

Оценим точность известного и предлагаемого динамического фильтра. Пусть Ха представляет собой некоторую знакопеременную функцию частотой okz, причем

Ха = Х+ q, Xa = Хд+ цд, (18}

1828551

Формула изобретения

Динамический фильтр, содержащий зэ- 5 датчик скорости измерения входного сигнала, апериодическое звено, первый интегрирующий блок, суммирующий блок и где Ха, Хд и цд — амплитуда первой гармод ники ряда Фурье соответственно сигналов

Ха, X u q (рассуждения справедливы и для других гармоник ряда Фурье этих сигналов).

Погрешность р динамического фильтра оценим в виде (>4 х ( (19) где Хо — амплитуда истинности сигнала, Хф — фактическое значение сигнала Z на выходе динамического фильтра.

А — 1

Истинное значение Хо=(Ха +цд) вц фактическое значение Хф можно определить в виде

Хф = Xo,+ Итя(во ) qA, (20) где М/тц(вц ) — коэффициент передачи известного фильтра по отношению к сигналу q.

Коэффициент передачи Ф/тч(а4) можно оценить в виде

Wxq(в) = — (21)

Если, например, цд = 0,1 Ха, то по. д грешность известного фильтра р при в = 3 1/сек, будет равна 0,09 (9Я.

Для рассматриваемого динамического фильтра(ц+=q =qA=const) погрешность р сводится к нулю, как это следует из (7) (считаем, что коэффициент подавления Ки высок).

Предлагаемая схема динамического фильтра расширяет функциональные возможности за счет формирования на выходе первого 12, второго 15 и третьего 18 интегрирующих блоков соответственно сигнала установившейся скорости входного сигнала, сигнала ошибки задания положительной скорости и сигнала ошибки задания отрицательной скорости. Как следует из (15), выходной сигнал первого интегрирующего блока 12 соответствует фактической скорости входного сигнала при Ха = 0 (или установившейся скорости входного сигнала).

Предлагаемый динамический фильтр пропускает без искажения полезный сигнал

X и осуществляет подавление сигнала помехи с коэффициентом подавления Кр.

0 последовательно соединенные п звеньев, каждое из которых содержит последовательно включенные сравнивающее устройство, усилитель, сумматор и интегратор, при этом выход интегратора и-го звена соединен с первым входом суммирующего блока, второй вход которого подключен к выходу апериодического звена, вход которого соединен с выходом сравнивающего устройства и-го звена, а выход задатчика скорости изменения входного сигнала подключен к вторым входам сумматоров всех звеньев, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем формирования сигналов ошибки задания скорости изменения входного сигнала и повышения точности, в него дополнительно введены первый и второй компараторы, второй и третий интегрирующие блоки, с первого по шестой ключи и элемент ИЛИ, инверсный выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом первого компаратора и управляющими входами третьего и четвертого ключей, второй вход элемента ИЛИ соединен.с выходам второго компаратора.и управляющими входами пятого и шестого ключей, входы первого и второго компараторов соединены с выходом задатчика скорости изменения входного сигнала, выход сравнивающего устройства и-го звена соединен с сигнальными входами первого, третьего и пятога ключей, выходы которых подключены соответственно к входам первого, второго и третьего интегрирующих блоков, выходы которых соединены с сигнальными входами второго, четвертого и шестого ключей, выходы которых подключены соответственно к третьим, четвертым и пятым входам сумматоров всех звеньев, вычитающие входы всех сравнивающих устройств соединены с выходом суммирующего блока, при этом выход первого интегрирующего блока является выходом установившейся скорости входного сигнала, выход второго интегрирующего блока является выходом сигнала ошибки задания положительной скорости, выход третьего интегрирующего блока является выходом сигнала ошибки задания отрицательной скорости.