Устройство для фильтрации помех в системе автоматического управления

 

(72) Автор изобретеяия и

А.С. Темичев (7I) заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ПОМЕХ В СИСТЕМЕ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к устройствам оптимальной фильтрации для сигналов постоянного тока прямоугольной формы.

Известны устройства для фильтра5 ции сигналов, содержащие последовательно соединенные сумматор (смеситель), фильтр низких частот, управляющий элемент и подстраиваемый генератор опорного сигнала, выход которого соединен с входом сумматора P ), Известна также экстремальная система регулирования полосового фильтра, содержащая последовательно соединенные полосовой Фильтр, усилитель-пре-, образователь с АРУ, фильтр низких частот, канал записи огибающей, блок запоминания экстремума, компаратор, триггер и интегратор, второй вход которого соединен с выходом генера- ?о тора, а выход - с входом полосового фильтра, и программное устройство, выход которого соединен с управляющими входами генератора опорного на2 пряжения, канал записи огибающей, и ключ, который шунтирует фильтр низких частот fZ>.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для фильтрации помех в системах автоматического управления, -содержащее первый усилитель, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом блока автоматической регулировки усиления (АРУ), последовательно соединенные первый сумматор, первый функциональный преобразователь, второй сумматор, второй вход которого соединен с первым входом первого сумматора через второй функциональный преобразователь, и последовательно соединенные блок запоминания экстремума, первый компаратор, второй вход которого соединен с входом блока запоминания экстремума, триггер реверса, исполнительный элемент, ; .первый блок задержки и генератор опорного напряжения, первый выход

3 938258 которого соединен с вторым входом. первого сумматора, второй выход - с первым входом третьего сумматора и управляющим входом nepsoro коммута- м тора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выходс вторым входом второго сумматора, к выход триггера реверса соединен с вторым входом блока запоминания экстремума и через программный блок - в р с своим вторым входом Е33. и

Недостатком известного устройства н является его низкая точность и эф" 2 фективность подавления помех. Р

Цепь изобретения - повышение эф- м фективности подавления помех. . т

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве установлены второй коммутатор, мультивибратор, пороговый блок, последовательно соединенные второй блок задержки и третий коммутатор, и последовательно соединенные первый, второй и третИй фильтрующие компенсаторы, второй усили25 тель, второй компаратор, первый и второй блоки совпадения, счетчик и декодирующий блок, выход которого соединен с входом блока запоминания экстремума и вторым входом второго компаратора, первый вход первого фильтрующего компенсатора соединен с выходом второго сумматора, выход третьего фильтрующего компенсатора соединен с входом второго блока задержки и вторым входом третьего сумматора, вьиод которого соединен с вторым входом третьего коммутатора через пороговый блок, второй вход первого блока совпадения соединен с

Ф выходом мультивибратора, выход пер- 4О ваго усилителя соединен с первым входом первого сумматора через второй коммутатор, первый выход генератора опорного напряжения соединен с вторыми входами первого, второго и треть" > его фильтрующих компенсаторов, третий выход - с вторым входом второго коммутатора, четвертый выход - с третьим входом третьего сумматора, пятый выход - с вторым входом второ- 0 го блока совпадения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг, 2 и 3эпюры выходных напряжений основных . функциональных блоков предлагаемого H устройства.

Устройство содержит первый усили" тель 1, блок 2 автоматического регу"

4 лирования усиления (АРУ), первый сумматор 3, первый функциональный преобразователь 4, инвертор 5, сумирующий элемент 6, первый 7 и второй 8 фильтрующие компенсаторы, ог» раничивающий компенсатор 9, первый оммутатор 10, суммирующий элемент

11, интегратор 12, пороговый блок

13, второй 14 и третий 15 коммутатоы, второй усилитель 16, второй ком" аратор 17, первый блок 18 совпадеия, мультивибратор 19, второй блок

0 совпадения, счетчик 21, декодиующее устройство 22, блок 23 запоинания экстремума, первый компараор 24, триггер 25 реверса, программный блок 26, исполнительный элемент 27, фантастрон 28, блокинг-гене- ратор 29, генератор 30 опорного напряжения, первый 31 и второй 32 блоки задержки второй 33 и третий 34 сумматоры, второй функциональный преобразователь 35, компенсатор 36, U< - сигнальное напряжение, 0пнапряжение помехи, 0я - смесь сигнала и помехи на входе коммутатора

14, Оотг - напряжение строба, U <напряжение смеси сигнала и помехи на выходе коммутатора 14, Uo„ — опорное напряжение, U - напряжение на выходе первого сумматора 3, U<»> — напряжение на выходе компенсатора 7 с режекторным фильтром в компенсационном канале, 0 » < " напряжение на выходе компенсатора 8 с полосовым фильтром в компенсирующем канале.

U b < - напряжение на выходе компенсатора 9 с пороговым фильтром в компенсирующем канале. Ugb- импульсы программного блока 26. 0 т — напряжение на выходе исполнительного элемента

27, Uqg - импульсы на выходе фантастрона 28, U g - импульсы генератора 30 опорного напряжения, 0 напряжение на выходе декодирующего устройства 22, U<> - напряжение в блоке 23 запоминания экстремума.

Из теории потенциальной фильтрации известно,.что для получения максимального отношения сигнал/помеха при обработке сигнала постоянного тока в виде прямоугольного импульса следует включать линейный фильтр,. согласованный с спектром сигнала.

Если сигнал состоит из одиночного прямоугольного импульса длитель5 9382 ностью Тв, такому сигналу соответствует комплексный спектр

1 -1жто

S(qu) = . (1 - е )-.

JLU

Для этого сигнала оптимальный 5 фильтр должен иметь передаточную функцию

К(° ) a (5MT0 1) 5шЕО

)Ж

Такая передаточная функция реализуется в виде последовательно соединенных интегратора, разностного каскада, второй вход которого соединен с выходом интегратора через линию задержки. 1S

Напряжение на выходе такого фильтра определяется выражением

+Cb ц„,„(е) = 5 Uc(t -t)l(L)dpi

-со 20 где 1,() - импульсная переходная функция фильтра.

Недостаток такого устройства состоит в том, что в оптимальном фильтре подавляется только высокочастотная составляющая помехи, низкочастотная ее составляющая остается вместе с сигналом. Обрабатываемый сигнал существенно изменяется по форме из-за фильтрации высокочастот.ных составляющих сигнала. Все эти недостатки приводят к ошибкам в измерении параметров сигнала.

Рассматриваемое устройство обеспечивает подавление как высокочас.тотных, так и низкочастотных составляющих помех при безискаженной передаче спектра сигнала через устройство обработки °

4О

Устройство работает следующим образом.

Смесь импульсного сигнала и помехи после нормирования по амплитуде в усилителе 1 с помощью блока АРУ 2, (фиг. 2В) поступает на вход коммутатора 14, в котором осуществляется стробирование сигнала по времени, для чего импульс строба подается с генератора 30 опорного напряжения, стробы показаны на фиг. 2г. Импульсная смесь с выхода коммутатора 14 поступает на входы первого и второго сумматоров 3 и 33, Причем сигнал с выхода коммутатора 14 поступает

55 на вход сумматора 33 через функциональный преобразователь 35, в дан-. ном случае блок задержки, время которого выбирается в зависимости от

58 6

- требований к характеристикам устройства и которое находится в диапазоне от нуля до Т.

На второй вход первого сумматора 3 подается противофазное опорное напряжение с выхода генератора «О опорного напряжения, являющееся копией входного сигнала. В результате на выходе первого сумматора 3 при наличии сигнала будет действовать только помеха. Если сигнал на входе устройства будет иметь нулевое значение, на выходе первого сумматора

3 будет смесь помехи и опорного импульса.. Выход первого сумматора 3 соединен с первым функциональным преобразователем 4 (режекторным

RC-фильтром), который компенсирует помехи в полосе его режекции. Через функциональный преобразователь 4 пройдет вся помеха, кроме узкополосной части. После инвертирования инвертором 5 помеха компенсируется в суммирующем элементе 6. На выходе второго сумматора 33 помеха будет иметь узкополосный вид. Выходное напряжение второго сумматора 33 определяется равенством

"n(f) „,„= О„()ex (Key(p)1, где передаточная функция полосового фильтра К (р) определяется через передаточную функцию функционального преобразователя 4, включенного между первым сумматором 4 и инвертором 5

К„„(р) = К„ (1 - К (р)3.

Выходное напряжение сумматора 33 ,равно

Uc(f) Вь c(f)ex К1 т. е. сигнал проходит компенсатор 36 без преобразования. Сумматоры 3, 33 и функциональные преобразователи 4, 35 и коммутатор 10 функционально входят в состав компенсатора 36. Вид компенсатора определяется видом применяемого в нем функционального преобразователя 4 в компенсационном канале. Фильтрующие компенсаторы 7, 8 и 9 содержат в компенсационном канале различного рода фильтры например, полосовые, режекторные, пороговые, фильтры низких или высоких частот и т.д. При нулевом значении входного сигнала на выход коь:пенсатора 36 проходит копия сигнала, напряжение которого определяется зависимостью.

"к®ьь1 = U (f) ьх Kpy(P)

Из рассмотрения эпюр выходных напряжений на фиг. 2 видно, что передаточные функции сигнала, помехи и

8258

8 опорного сигнала имеют различные значения. На этом различии и построен принцип компенсации помехи. На выходе компенсатора 36 всегда можно отличить сигнал от копии. На фиг. 2 показаны эпюры напряжений на выходе .блоков устройства, когда полезный сигнал на входе компенсатора 36 имеет нулевое значение.

Для увеличения эффективности компенсации широкополосной помехи следует включать несколько последователь но соединенных компенсаторов с различного рода режекторныии фильтраии в компенсационных каналах. После того, как помеха станет узкополосной, ее компенсируют с помощью кои-: пенсаторов с полосовыии фильтрами.

Таким образом, каждый из применяемых компенсаторов принципиально может представить собой блок из М последовательно соединенных однотипных компенсаторов. Если при включении режекторного фильтра в компейсацион" ный канал компенсатора коипенсатор для помехи становится полосовым фильтром, при включении полосового фильтра в компенсационный канал кои" пенсатор эквивалентен режекторноиу фильтру. Так как помеха проходит по" следовательно соединенные полосовой и режекторный фильтры, то это создает условие для компенсации широкополосной помехи.

Итак, рассмотрим выходные напряжения сигнала, помехи, копии сигнала на выходе последовательно соединенных компенсаторов 7 и 8 с включенными режекторным, а затем полосовыи фильтром. Сигнальное выходное напряжение будет равно

И ()вь „= "сИ) ех К " Ки где к,К,...,K> - передаточные . У коэффициенты вто рых сумматоров.

Выходное напряжение от действия помехи определяется выражением

Un(f)Styx = KrPn(f)ex 0

- крф(рЦ(1 - к„ф(р)1, где К (р) - передаточная функция рф режекторного фильтра, включенного в компенсационный канал коипенсатора.

Подставляя в выражение u>>(g) значения

" 4(p) — кпф(р)э

1 - к„,,(р) = к, (р) 5

З0

35 40

S5 получаем выражение для выходного напряжения помехи

U„(f)+>|х = Kun(f)ex. Кпф(р) "рф(р), Для копии сигнала находит значение выходного напряжения

U„(f)»,õ - U„(f) ьк К Ьпф(р)- Крф(р) - К„ф(р)+ Kpy(p)lИз выражения вйдно,.что если мы хотим, чтобы выходные напряжения сигнала и копии были одинаковыми, то передаточная функция К1,@(р) должна быть равна единице, или в компенсационном канале коипенсаторов 7, 8 и 9 не должно быть инерционных элементов. Отсюда, наличие полосового фильтра в компенсационном канале ком-:

I пенсатора 8 вносит различие в спект-. рах выходных напряжений сигнала и его копии.

Разность выходных напряжений определяется зависимостью

$0() = uo(f) - u () Скрф(р)- к„ф(р) - к„ф(р) + крф(рЦ при uo(f) = u„(f).

Различие в спектрах выходных напряжений сигнала и его копии позволяет определить ситуацию 0 0 или

Uc 1,0.

Компенсатор 9 с пороговым фильтром в компенсационном канале обеспечивает компенсацию помехи, когда ее амплитуда становится меньше амплитуды сигнала. При этом на выходе компенсатора 9 будет полезный сигнал с неискаженныи спектром, если пре" небречь постоянныии времени широкополосных сумматоров, т.е. осуществится полная компенсация помехи. При нулевом значении входного сигнала на выходе компенсатора 9 будет его копия с преобразованным спектром.

Для различения спектров на выходе коипенсатора 9 выходное напряжение подается на суммирующий элемент 11, на второй вход которого подается копия сигнала с выхода генератора 30 опорного напряжения. Выходное напряжение суммирующего элемента 11 подается через интегратор 12 и пороговый блок 13 на вход коммутатора 15.

Коммутатор 15 включается, когда блок

32 задержки определит, что на выходе устройства полезный сигнал, а не его копия.

Для настройки генератора 30 опорного напряжения используется экстремальный регулятор, работа которого . состоит в следующем. По сигналу про9 граммного устройства 26 (фиг. 34) начинает изменяться напряжение исполнительного элемента 27 (фиг. 36). .Это напряжение изменяет время задержки в блоке 31 задержки, состоящем из фантастрона 28, работающего в автоколебательном режиме, и блокинг-генератора 29 Импульсы фантастрона

28 (фиг.36} подаются на блокинггенератор 29, импульсами которого 10 (фиг. Зс) запускается гвнератор 30 опорного напряжения, выходное напряжение которого за время длительности импульса отслеживается цифровой следящей системой, состоящей из блоков д

16-22. Блок 23.запоминания экстремума определяет момент перехода через экстремум. При переходе через экстремум начинается слежение за максимальным выходным напряжением компен- ® сатора 9.

Технический эффект состоит в увеличении отношения сигнал/помеха на выходе устройства примерно на 103 при неискаженной передаче импульсного сигнала.

9382

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Современные методы проектирования систем автоматического управления. Под ред, Б.П. Петрова. И., Иашиностроение", 1967, с. 497-516.

2. Авторское свидетельство СССР 542976, кл. G 05 8 13/02, 06 01.75.

3. Авторское свидетельство СССР

11 632988, кл. 6 05 В 13/02, 21.06.76.

Устройство для фильтраций помех в системах автоматического управления, содержащее первый усипитель, вход и выход которого соединены со" ответственно с выходом и входом блока автоматической регулировки усиления {АРУ), последовательно соединен" ные первый сумматор, первый функ" циональный преобразователь, второй сумматор, второй вход которого соединен с первым входом первого сумматора через второй функциональный преобразователь и последовательно соединенные блок запоминания экстре" мума, первый компаратор, второй вход которого соединен с входом блока запоминания экстремума, триггер реверса, исполнительный элемент, первый блок задержки и генератор опорного напряжения, первый выход

3О которого соединен с вторым входом первого сумматора,. второй выходс первым входом третьего сумматора и управляющим входом первого ком"

58 10 мутатора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выходс вторым входом второго сумматора, выход триггера реверса соединен с вторым входом блока запоминания экстремума и через программный блокс своим вторым входом, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повывения эффективности подавления помех, в нем установлены второй ком мутатор, мультивибратор, пороговый блок, последовательно соединенные второй блок задержки .и третий коммутатор и последовательно соединенные первый, второй и третий фильтрующие компенсаторы, второй усилитель, второй компаратор, первый и второй блоки совпадения, счетчик и декодирующий блок, выход которого соединен с входом блока запоминания экстремума и вторым входом второго компаратора, первый вход первого фильтрующего компенсатора соединен с выходом второго сумматора, выход третьего фильтрующего компенсатора соединен с входом второго блока за" держки и вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего коммутатора через пороговый блок, второй вход первого блока совпадения соединен с выходом мультивибратора, выход первого усилителя соединен с первым входом первого сумматора через второй коммутатор, первый выход генера тора опорного напряжения соединен с вторыми входами первого, второго и третьего фильтрующих.компенсаторов, третий выход - с вторым входом второго коммутатора, четвертый выход - с третьим входом третьего сумматора, пятый выход - -с вторым входом второго блока совпадения.

938258

Заказ 4464/72

Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, N-35, Раувская наб., д. 4/5

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

Составитель 6. Гладков

Редактор А. Шандор TexpepJI, Пекарь Корректор В. Бутяга