Дифференцирующее устройство с переменной структурой

 

О П И С А Н И Е II»sse248

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскии

Социалистииескик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51) М. Кл.о

5 06 G 7/18 (22) Заявлено 23 09.75 (21) 2 1 74208/24 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изооретений и открытий (43) Опубликоваио2505.77.Бюллетень №19 (53) УДК 681.333:

:51 (088.8) (45) Дата сипубликования описания22.07.77 (72) Автор изобретения

Б.З. Голембо

Ордена Ленина институт проблем уп (71) Заявитель (54) ЙИФФЕРЕН11ИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО С ПЕРЕМЕННОЙ

СТРУКТУРОИ

Изобретение относится к области автоматического управления и аналоговой вычислительной техники.

Известны дифференциаторы с адаптацией к некоторым измеряюшимся параметрам по- 5 мехи, содер>кашие интеграторы, сумматоры и блоки сравнения.

Однако эти устройства не обеспечивают высокого качества многократного дифференцирования и адаптации во всем законном l0 диапазоне изменения параметров помехи, Кроме того, они не являются адаптивными по отношению к меняющимся параметрам полезного сигнала."

Известно дифференцируюшее устройство l5 с переменной структурой, содержащее первое инерционное звено, выход которого подключен к основному выходу устройства, а вход через последовате>1ьнб включенные первый интегратор, подсоеди>1енный своим ьы- 20 ходом к первому дополнительному выходу устройства, первый сумматор и второй интегратор — Ko второк1у дополнительному выходу устройства и к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен 25 с входом устройства, и второе инерционное звено, подсоединенное входом к другому входу первого суммагора.

Это устройство не обеспечивает подстрой« ки к меняющимся параметрам полезного сигнала.

Целью изобретения является повьицение точности устройства и работе.

Это достигается тем, что устройствo дополнительно содержит первый и второй логические блоки, второй сумматор, блок преобразования с нечетной функциональной характеристикой, третье инерционное звено и блок выделения модуля, вход которого соединен с входом устройства, а выход через третье инерционное звено подключен к первым входам логических блоков, вторые входы первого и второго логических блоков подсоединены соответственно к выходам блока сравнения и второго сумматора, а выхолы — к входам второго и первого инерционных звеньев, вход блока преобразования с нечетной функциональной характеристикой подключен к «ыходу блока сравнения, aего выход соединен с первым входом второго

М0248 сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго инерционного звена.

Такое устройство характеризуется повышенной точностью дифференцирования.

На чертеже приведена схема дифференцирующего устройства с переменной структурой.

Устройство состоитиэпоследовательносоединенных блока сравнения 1, один вход котОрого подключен к входу устройства, логи- 0 ческого блока 2, инерционного звена 3, сумматора 4, логического блока 5, интегратора

6, сумматора 7, интегратора 8. Выход интегратора 8 подключен ко второму входу блока сравнения 1. Выход логического бло- 15 ка.2 соединен со вторым входом сумматора

7, а выход логического блока 5 подключен к входу инерционного звена 9, выход которого является основным выходом устройства.

Два дополнительных выхода устройства свя- 0 заиы с выходами интеграторов 6 и 8. Вы. ход блока сравнения 1. через блок 10 преобразования с нечетной функциональной характеристикой связан со вторым входом сумматора 4. Вход устройства через последова-4 тельно соединенные блок выделения модуля

11 и инерционное звено 12 связан с соответст "ующими входами логических блоков

2 и 8.

Устройство работает следующим образом. З0

Входной сигнал устройства, представляющий собой аддитивнув смесь полеэногони зкаЧастоз ного сигнала, производные которого необходимо получить, и высокочастотного шума, поступает од. повременно на блок сравнении 1 и блок выделения модуля 11. Величина сигнала на выкоде инерпионного звена 12 с передаточной фуикпией 4),(Р)= т q свяэанного своим входом с выходом блока выделения модуля

11, пропорциональна дисперсии входного сиг нала и при соответствующем выборе величины Т, (например, из условия и „у.Т, = 4 где си - граничная частота сплава полезного сигнала) величина сигнала на выходе инерционного звена 12 определяется, в основном, величиной дисперсии полезного сиг 1 нала б „„, т.е. уровнем полезного сигнала (Сигнал U, являющийся выходным сигналом инерционного звена 12, поступает на соот50 ветствующие входы логических блоков 2 и

5 со следующей логикой работы:

+0, 6„30

Y (S.)=

-0 5 сО 55 т где ;(6Д- выходной сигнал у -m логического блока (9 - ячейки);

5„- сигнал, подаваемый на второй вход, Ч 1 — ячейки; (и f,2, 60

Сигнал 5 является выходным сигналом блока сравнения 1, а сигнал & — выходным сигналом сумматора 4. На первый вход сумматора 4 поступает отфильтрованный инерционным звеном 3 с передаточной функ1

""ей ® (p)» т с"г"а" Ч () рой — сигнал б, пропущенный через блок 10 преобразовании с нечетной функциональной характеристикой.

Сигнал V ($ )поступает одновременно на вход инерционного звена 9, выход которого является выходом устройства, и через последовательно соединенные интегратор 6, сумматор 7 и интегратор 8 — на второй вход блока сравнения 1. На второй вход сумматора 7 поступает сигнал (б„) выходной сигнал логического блока 2.

В отсутствии шумов в дифференциаторе возникает скользящий режим. В скользящем режиме сигнал 9 близок к нулю и соответственно близки к нулю выходной сигнал блока преобразования 10 и сигнал М (9 )

Блок выделения модуля 1 1 и инерпионное звено 12 обеспечивают существование скользящего режима в рассматриваемом случае и так, что полоса пропускания дифференциатора не зависит от амплитуды входных воздействий. Таким образом, в отсутствии шумов устройство является линейным. Последовательно включенные интегратор 6 и 8 отслеживают фактически с ошибкой 5 q, сколь угодно близкой к нулю, входной счгнал и с выходов интеграторов 6 и 8 снимаю ся соответственно сигналы первой производной и входного сигнала, Инерционные звенья 3 и 9 служат для выделения непрерывных сигналов из разрывных сигналов М; — элементов. При этом на выходе инерционного звена 9 с переда1 точной функпией Жк(у)- Ч вЂ” д попучеетъ + ся сигнал второй производной. Точность дифференцирования зависит от выбора постоянных времени инерционных звеньев Т и

Т> и от неидеальностей У вЂ” элементов

При малых неидеальностях значения Т и

Т можно выбрать достаточно малыми так, что в рассматриваемом случае осуществляется (в пределе) точное многократное (в данном случае двукратное) дифференцирование.

Под действием помех скользящий режим прекращается, возникает режим переключений и .начинают проявляться нелинейные свойства устройства. В этом случае сигнал

5 уже не близок к нулю и его дисперсия определяется дисперсией высокочастот54 2 ной помехи б„„„. Эквивалентные коэффици55М (8 енты передачи 11» — элементов К» и К2 соответственно определяются из выражения

К.=С. (1=1,2, 1 1 б

5j которое с учетом равенств% О= b- б„о„можно переписать в виде б пол к,. = с,. ъ,.

10

Р а {р)= — — р+»

2 2 (R ФО).

Среднеквадратичная ошибка двукратного дифференцирования Я определяется иэ вы2 ражения

ОО 2.

E = j /% ((щ(-W ((Ш(/5„(0,1(,Ø)ÉW, 2% 1 где Ф,(р)- передаточная функция дифференциатора; () /<(V)- передаточная функция оптимального дифференциатора;

5х(УФ)- спектральная плотность входного сигнала, зависяшая от уровня полезного сигнала Q и уровня помехи

Для того чтобы во всем диапазоне изменения параметров Q и М: (1 „„ Q <Ц „,,40 R „„< R й,„л„„среднеквадратичная ошибка была минимальной для любых дробно-ра2 циональных функпий, необходимо, чтобы автоматически обеспечивались соответствующие зависимости величин:, эквивалентных 4 коэффициентов К и К 2 передаточной функции дифференциатора от значений параметров

Q и Я . Для получения таких зависимостей на вход логического блока 5 (М/2 ячейки) дополнительно подают (через сумматор 4 ) выходной сигнал блока преобразования 1 О. Этот сигнал дополнительно линеаризует (в шумах) логический блок 5. B зависимости от вида функции Ь„(Ц,й,цэ) выбирается соответствуюшая функциональная характеристика блока преобразования 10.

Для обеспечения кваэиоптимального качества дифференцирования и акаптации в качестве блока преобразования с нечетной функци Я ональной характеристикой использован блок где С, Ь„- некоторые постоянные числа — дисперсия полезного сигнала.

С учетом вышесказанного эквивалентная 15 передаточная функция дифференциатора может быть представлена в виде г

4 с нечетной нелинейной степенной функциона ( ной характеристикой вида тп! Л

g I5, I5igå 5 где y — выходной сигнал блока преобразования 10;

»п,»» — целые числа;

1,5 >О

5 1 1g »» 1 =

Дисперсия сигнала 5 определяется, как было отмечено выше, дисперсией высокочас2 тотной помехи 6 „, а дисперсия сигнала

52 — входного сигнала логического блока

5 определяется дисперсией сигнала ч . Таким образом, выражения для К» и Кг прини,MaIoT вид

"пол 6 пол - Q

1(=С вЂ” =С вЂ” > К =С „„=С д / z z <6 ) "/™ г д (, t1 hl Il lII где C„, C2 — постоянные; тп, 11, — ЦеЛЫЕ ЧксЛа, ЗавнсЯШИе От 1п (И »1..

Величины 1п и 1т (a следовательно, тл» и 11„) выбираются, исходя иэ условий минимума Е для данного вида 5х (Q й, Ui), Передаточная функция дифференциатора для получения второй производной может быть теперь представлена в виде

P чч ()=

g q-» (тп 1)/Tt

Из этого выражения следует, чго с ростом уровня шума к или уменьшением уровня по1 езного сигнала Q растут постоянные времени знаменателя передаточной функции, обеспечивая подавление помех. При % О осуществляется точное двукратное дифференцирование при любом значении Q . С ростом Q (при фиксированном Я ) постоянные времени уменьшаются и точность дифференци рования растет. Таким образом осушествлятся адаптация к меняюшимся параметрам

Я и Я . При этом интегральная о|цибка дифференцирования мл((с О мд(с

Я,= J J k,(q,я)авац

R мъ(н мин оказывается минимальной, и дифференциатор осушествляет кваэиоптимальное дифференцирование во всем диапазоне изменения параметров Q и М . Существенно, что при использовании линейного блока преобразования не удается добиться высокого качества адаптации и дифференцирования во всем диапазоне изменения Ц и )(и обеспечить минимум интегральной ошибки с г

Пифференцируюшее устройство с переменной структурой целесообразно использовать

85924&

HbI

Составитель А. Маслов

Редактор Т. Фадеева Техред Н. Андрейчук Корректор А. Кравченко

3 --.;аз 1374/101 Тираж 818 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

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

7 для получения высших производных (в частности, второй) полезного сигнала, наблюдаемого в смеси с шумом, когда уровни сигнала и шума априори неизвестны и могут меняться в заданных пределах. При этом достигается высокое качество адаптации и квазиоптимальное качество дифференцирова-. ния во всем диапазоне изменения параметров полезного сигнала и помехи.

Формула изобретения

Йифференцирующее устройство с переменной стуктурой, содержащее первое инерционное звено, выход которого подключен к основному выходу устройсгва, а вход через последовательно включенные первый интег ратор, подсоединенный своим выходом к первому довэлнительному выходу устройства, 20 первый сумматор и второй интегратор — ко второму дополнительному выходу устройства и к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с входом ус ройства, и второе инерционное звено, подсоединенное входом к другому входу первого сумматора, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения точности работы устройства, ° оно содержит первый и второй логические блоки, второй сумматор, блок преобразования с нечетной функциональной характеристикой, третье инерционное звено и блок выделения модуля, вход которого соединен с входом устройства, а выход через третье инерционное звено подключен к перф вым входам логических блоков, вторые входы первого и вгорого логических блоков подсоединены соответственно к выходам блока сравнения и второго сумматора, а выходы— к входам второго и .первого инерционных звеньев, вход блока преобразования с нечетной функциональной характеристикой подключен к выходу блока сравнения, а его выход соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго инерционного авена.