Устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик л1993282 (61) Дополнительное к авт. саид-ву-. (22) Заявлено 223280 (21) 3224787/18-24 с присоединением заявки ¹-И1) М.Кл.

G 06 G 7/22 .

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 300183 Бюллетень № 4

f$3jУДК б81.33 (088.8) Дата опубликования описания 3001,83 (72) Автор изобретения, Е.Б. Грейэ

Центральное конструкторское бюро гидро приборостроения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО .ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ

КООРДИНАТ ОСРЕДНЕННОГО ВЕКТОРА ВЕТРА (2).

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в составе автоматических гидрометеорологических станций.

Известно устройство преобразования прямоугольных координат в полярные, работающие по принципу пошагового уравновешивания ортогональных проекций изменения аргумента (угла), для чего в устройстве предусмотрен датчик кода приращения, коммутатор кодов, накопитель. кода аргумента, синусный и косинусный преобразователи, схема сравнения, блок. памяти, блок управления fl).

Однако вычислительные операции с проекциями вектора требуют получения на каждом шаге полноразмерных числоимпульсных кодов, длина которых определяется произведением числа дискрет ортогональной составляющей на число дискрет синуса или косинуса угла, что снижает быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для осреднения вектора ветра, содержащее датчик ветра, соединенный.с цифровык фазометром, синусо-косинусный функциональный преобразователь, делители, счетчики осредненных ортогональных.составляющих, счетчик среднего направления, счетчик средней скорости, счетчики, узлы сравнения, шифратор, триггер, ключи. Устройство работает в двух режимах. Первый режим --осреднение ортогональных составлякидих вектора ветра в течение периода осреднения..

По окончании периода осреднения начинается второй режим работы устройства - преобразование полученных ортогональных составляющих вектора ветра в полярные координаты, т.е. определение модуля вектора и угла

Во втором режиме фазометр формирует последовательности импульсов, соответствующие кодам синуса и косинуса текущего значения аргумента, которое изменяется от О до 90

4 включительно, причем количество

25 пачек синусов и синусов.для каждога значения угла равно значениям ортогональных составляющих. Это снижает быстродействие устройства, так-: как формируются число-импульсные коды больших чисел.

993282 полярных координат осредненного вексинусный и косинусный преобразователи, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго переключателей, а выходы — c вховыходы — с соответствующими входами первой схемы. сравнения, выход шифранения, первый триггер, ключи, содержит также первый, второй, третий и четвертый суммирующие счетчики, пергенератор, третий и четвертый делисоединен с входами первого суммируювходом третьего суммирующего счетчика и с вторым входом третьего переключателя, через пятый ключ с входом четвертого суммирующего счетс вторым входом первого переключатения, выход которой соединен с входом стартстопного генератора, выходы

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения тора нетра, содержащее датчик направления и скорости ветра, выходы которого соединены с соответствующими входами фазометра, выход которого соединен с первыми входами первого и второго переключателей, дами первого и второго делителей, выход первого делителя соединен с первым входом третьего переключателя, выход которого соединен с входом счетчика первой ортогональной составляющей, выход второго делителя соединен с первым входом четвертого переключателя, выход кбторого соединен с входом счетчика второй ортогональной составляющей, первые выходы счетчиков ортогональных составляющих соединены с соответствующими входами шифратора, а вторые тора соединен с первым входом счетчика аргумента, вторую схему сраввый и второй нычитающие счетчики, первый и второй счетчики фазы, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, стартстопный тели, второй и третий триггеры и иннертор, при этом выход синусного преобразователя через первый ключ щего и первого нычитающего счетчиков, выход косинусного преобразователя через второй ключ соединен с входами второго суммирующего и второго вычитающего счетчика, выход стартстопного генератора соединен с входом третьего делителя, через третий ключ с входом четвертого делителя, через четвертый ключ с чика и с вторым входом четвертого переключателя, выход четвертого делителя через шестой ключ соединен с входом первого счетчика фазы и, ля, а через седьмой ключ с входом второго счетчика фазы, выходы счетчиков фазы подключенй к соответствующим входам второй схемы сравне5

50 . 55

65 первого суммирующего счетчика и счетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам первого двоичного умно- жителя, выходы второго .суммирующего счетчика и счетчик второй ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам второго двоичного умножителя, выходы первого вычитающего и третьего суммирующего счетчиков подключены к соответствующим входам третьего двоичного умножителя, выходы второго вычитающего и четвертого суммирующего счетчиков подключены к соответствующим входам четвертого двоичного умножителя, выход третьего делителя соединен с входом первого триггера, первый выход которого соединен с первыми управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого переключателей, вторые управляющие входы которых соединены с вторым входом первого триггера и с управляющими входами шифратора и первого,: второго и третьего ключей, выходы первого и второго двоичных умножителей соединены с соответствующими входами второго триггера, ныход ! которого соединен с управляющим" входом четвертого ключа, выходы третьего и четвертого двоичных умножителей соединены с соответствующими входами третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первой схемы сравнения соединен с управляющим входом седьмого ключа и через инвертор с управляющим входом шестого ключа.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит датчик 1 направления и скорости ветра, фазометр 2, синусный функциональный преобразователь (СФП) 3, косинусный функциональный преобразователь (КФП)

4, делители 5 — 8, стартстопный генератор 9, счетчики 10 и 11 ортогональных составляющих, суммирующие счетчики 12 — 15, вычитающие счетчики 16 и 17, счетчики 18 и 19 фазы, счетчик 20 аргумента, схемы 21 и 22 сравнения, двоичные умножители 23

26, триггеры 27 -29, инвертор 30, переключатели 31 — 34, содержащие элементы И 35 — 42, и элементы

ИЛИ 43 — 46, шифратор 47, ключи 48

54.

Устройство работает в двух режимах.Первый режим - осреднение ортогональных составляющих вектора ветра в течение периода осреднения Т . По о окончании периода осреднения начинается нторой режим работы устройства — преобразование полученных ортогональных составляющих вектора ветра и полярные координаты, т.е.

993282 определение модуля вектора и аргумента.

В основу первого режима работы положен способ, основанный на за висимости между направлением ветра и положением свободно ориентирующейся флюгарки, скоростью потока и скоростью вращения ветроприемника, с представлением измеряемых величин в виде серий электрических импульсов напряжения, по которому определяют синус и косинус фазового сдвига между сериями основной и опорной последовательности импульсов за каждый период основной последовательности, Измеренные значения синусов,.и косинусов фазовых сдвигов суммируются в счетчиках в течейие периода осреднения. Полученные значения прямо пропорциональны ортогональньвл составляющим. вектора ветра

: Х и У. Этот же способ положен и в основу работы прототипа.

Во втором режиме работы изменяет,. ся дискретно значение угла <у.> причем начинается изменение для составляющей Х со значения о(л=90О а для составляющей У вЂ” с aL2=0, т.е.

Х = A4 sin d.л = Р sin 90 (Y =.А созс(= А2cos 0

При этом в начальный момент A — — Х;

Р2 = Y. Эатем, если A„) А, то приращение получает dg, при этом значение- А< увеличивается (Х = Const) .

Как только становится А2 А<,. приращение получает Д, и значение А увеличивается. И так далее, до мо мента

4л = о(= с, при этом автоматически выполняется условие

A=Р=Р где A — модуль вектора.

Рассмотрим назначение элементов устройства.

Датчик 1 вырабатывает две импульсные последовательности с час:тотой следования импульсов, пропорциональной скорости ветра, сдвинутые по фазе на угол, пропорциональный направлению ветра d. Фазометр 2 служит для получения значения фазо- аого сдвига последовательностей с датчика ветра к моменту окончания каждого периода основной последовательности, т.е. цифровой фазометр 2 выдает на вход СФП 3 и на вход КФП 4 код фазы и сигнал об окончании измерения фазы один раэ в каждый период основной последовательности в тече, ние периода осреднения Т .

СФП 3 служит для преобразования кода фазы, поступающего на его вход с выхода фазометра 2 (или с выхода счетчика 18 фазы), в число-импульсные

20 9, останавливая его, что соответствует моменту получения результата, Схема 22 сравнения выдает на выходе сигнал 1, если число в счетчике

) 10 больше числа в счетчике 11 и сиг25: нал 0, если число в счетчике 10 меньше числа в счетчике Xl. Двойчныа умножители 23 - 26 выдают на своем выходе число импульсов, пропорциональное произведению кодов чисел

З0 поступающих на вход каждого двоичного умножителя с выходов. счетчиков, Шифратор 47 предназначен для учета номера квадранта.

Устройство работает следующжм образом.

4D

50

5

15 коды синуса. КФП 4 служит для преобразования кода фазы, поступающего на его вход с выхода фазометра 2 (или с выхода счетчика 19 фазы), в число-импульсные коды косинуса. Делители 5 - 8 могут быть выполнены в виде двоичных счетчиков, емкость которых равна требуевыя коэффициентам (постоянным для данного устройства) деления.

Счетчики 10 и 11 ортогональинх составляющих предназначены для хранения ортогональных составляющих вектора ветра Х и У, причем знаковые выходы этих счетчиков связаны с входами шифратора 47. Схема 21 сравнения выдает сигнал в момент равенства чисел в счетчиках 18 и 19 фазы, этот сигнал поступает на сто! повый вход стартстопного генератора

Перед началом. работы подается команда Начальная установка (ши» ны этой команды не показаны) . По этой команде обнуляются все Счетчихй устройства (включая и делители, если они выполнены в виде счетчиков), кроме вычитающих счетчиков 1б и 17 и счетчиков 18 и 19 фазы. В счетчик

16 устанавливается код sin 90, в счетчик 17 — код cos 0, в счетчик

18 — код 90, а в счетчик 19 — код

0 . Триггеры 27 — 29 устанавливаются в нулевое состояние. Снятием команды Начальная установка запускается генератор 9. С этого момента с выхода фазометра 2 поступают коды фазовых сдвигов последовательностей с датчика 1 ветра, причем эти значе- ния обновляются к моменту окончания каждого периода основной.последовательности импульсов с датчика l ветра. Сигналы с выхода фазометра 2 через переключатель 31 поступают на вход СФП 3, а через переключатель

32 - на вход КФП 4. По каждому пос тупающему на его вход фазовому сдви

ry СФП 3 формирует последовательность, соответствующую синусу фазового сдвига, а КФП 4 - косинусу фазового сдвига. Сигналы с выхода

СФП 3 через делитель 5 и переключа993282 тель 33 поступают на вход счетчика

10, а с выхода КФП 4 через делитель

6 и переключатель 34 - на вход счет- чика 11, Суьа ирование в счетчиках 10 и 11 продолжается в течение периода осреднения Тд, который определяется коэффициентом деления делителя 7.

Импульс с выхода делителя 7 поступает на вход триггера 27 и устанавливает его в 1 . Это соответствует моменту окончания первого режима и начала второго режима работы.

Установка в 1 триггера 27 запрещает прохождение сигнала через элементы И 35 и 42 и разрешает прохождение сигнала через элементы

И 36 и 41. Без потери обцности можем принять, что код числа в счетчике

11 больше кода числа в счетчике 10, В этом случае на выходе схемы 22 сравнения сигнал 0, ключ 53 закрыт и открыт ключ 52. Импульсы с генератора 9 через ключ 54 поступают на вход делителя 8, с выхода которого через ключ 52 и переключатель

31 поступают на вход СФП 3. В СФП 3 в начале второго режима работы записывается код 90о по цепи Б, поэтому при поступлении импульсов на его вход СФП 3 на первый импульс входа сформирует на выходе код

= (sin 9lо — sin 90о), на второй

До = ) sin 92 — sin 91 ), на третий

ДЬ =)sin 93о — в1п 92о и т.д, Импульсы с выхода ключа 52 поступают также на вычитаюций вход счетчика 18 фазы, уменьшая последовательно на единицу начальную установку этого счетчика,, равную 90 . Таким образом, устанавливается соответствие между углом в счетчике 18 и синусом этого угла в вычитаюцем счетчике 16. После пер" вого импульса с выхода делителя 8 в счетчике 18 остается код 90 - 1 =

89, в счетчике 16 (импульсы с выхода СФП 3 через ключ 48) остается код (начальная установка счетчика

16 равна sin 90о). sin 90

= sin 90 - )sin 91 — sin 90оJ, а .так как ) sin 91о- sin 90о = sin 90ов1п 89о, то sin 90 - J sin 91о—

sin 90о) = sin 90о- ) sin 90 - sin 8Ô)=

= sin 89о. После второго импульса с выхода делителя 8 в счетчике 18 остается код 89 — l = 88, в счетчио о ке 16 остается код в1п 88, и т,д.

Итак, после каждого импульса на входе СФП 3 на вход вычитающего счетчика 16 поступают соответствуюцие импульсные приращения, Эти же импульсы поступают на вход счетчика 12. Если при поступлении нескольких импульсов на вход счетчика 12 на выходе двоичного умножителя 23 появится импульс, то этим импульсом триггер 28 будет установлен в 1, давая разрешение на прохождение

5

Ю

55 импульсов с выхода генератора 9 через ключ 50 на вход суммирующего счетчика 14 и через переключатель

33 на суммирующий вход счетчика 10.

Заполнение импульсами счетчика 14 продолжается до появления импульса на выходе двоичного умножителя 24, который устанавливает триггер 28 в 0, тем самым запрещается прохождение импульсов генератора 9 через ключ 50. Описанный выше процесс идет до тех пор, пока число в счетчике 10 не станет больше числа в счетчике 11. В этом случае схема 22 сравнения формирует на выходе сигнал 1, прохождение импульсов с выхода делителя 8 через ключ 52 запрещается, а через ключ 53 разрешается. Импульсы с выхода элемента

И 53 поступают на суммирующий вход счетчика 19 фазы, в счетчик 20, а также на вход КФП 4.

По каждому импульсу на входе

КФП 4 с его выхода формируется код приращения косинуса, т.е. при поступлении первого импульса с выхода

КПФ 4 поступает код Q — — cos 1

t второго " Да = Д,)- cos 2 = cos 1

l» сов 2, третьего "Ь = Дд — cos,3 о о

= cos 2о- cos Зо. Таким образом, устанавливается соответствие между кодом угла в счетчике 19 и кодом! косинуса в счетчике 17, на вход которого импульсы поступают с выхода

КФП 4 через ключ 49.

Функционирование схемы при поступлении импульсов с выхода .ключа 53 протекает аналогично описанному выше функционированию схемы при поступлении импульсов с выхода ключа

52, при этом счетчик 17 функционирует аналогично счетчику 16; 15 аналогично. 14; 13 — аналогично 12;

ll — аналогично 10, триггер 29 и ключ 51 — аналогично триггеру 28 и ключу 50. Отличием является только то, что импульсы в счетчике 19 суммируются, а не вычитаются, как в счетчике 18.

Если число в счетчике 11 станет больше числа в счетчике 10, на выходе схемы сравнения 28 формируется сигнал 0, запрещается прохождение импульсов через элемент И 53 и разрешается прохождение импульсов через элемент И 52.

Так продолжается до тех пор, пока число в счетчике 18 не станет равно числу в счетчике 19. В момент равенства схема 21 сравнения формирует на выходе сигнал, поступающий на стоповый вход генератора 9 и останавливаюций его. Измерение закончено.

Направление ветра зафиксировано в счетчике 20, а осредненная скорость—

s счетчике 11 (или 10, так как числа в этих счетчиках одинаковы). 993282

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении быстродействия при измерениях параметров ветра. Длительность второго режима, т.е. преобразование полученных ортогональных составляющих вектора ветра в полярные координаты, в предлагаемом устройстве в несколько раз. (а при больших требуемых точностях на несколько порядков) меньше, чем в известном, так ка в предлагаемом устройстве не требуется формирование больших число-. .импульсных кодов. Так как устройство выполнено на дискретных элементах, то оно позволяет получать практически любую точность вычисления, технологично и проще в эксплуатации по сравнению с устройствами на аналоговых элементах.

Формула изобретения"

Устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра, содержащее .датчик направления и скорости ветра, выходы которого соединены с соответствующими входами Фазометра, выход которого соединен с первыми входами первого и второго .переключателей, синусный и косинусный преобразователи, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго.перек.лючателей, а выходы - с входами пер- . вого и второго делителей, выход первого делителя соединен с первым . входом третьего переключателя, выход которого соединен с входом счетчика первой ортогональной составляющей, выход второго делителя соединен с первым входом четвертого переключателя, выход которого соединен с входом счетчика второй ортогональной составляющей, первые выходы счетчиков ортогональных составляющих соединены с соответствующими входами шифратора, а вторые выходы - с соответствующими входами первой схемы сравнения, выход шифратора соедийен с первым входом счетчика аргумента, вторую схему сравнения, первый триггер, ключи, о т л и ч а ющ е е с я тем, что,. с целью повышения быстродействия, оно содержит первый, второй, третий и четвертый. суммирующие счетчики, первый и второй вычитающие счетчики, первый и второй счетчики фазы, первый, второй, третий и четвертый двоичные умножители, стартстопный генератор, третий и четвертый делители, второй и третий триггеры и инвертор, при этом .Выход сннусного преобраэователя,через первый ключ соединен с входами первого суммирующего и первого.вы" читающего счетчиков, выход косинусного преобразователя через второй ключ соединен с входами второго сум-.

55 дом шестого ключа. источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2966943/18-24, кл. G 06 G 7/22, 01.08.80.

2. Авторское свидетельство СССР

9 614382, кл. G 01 Р 5/06, 1978

65 (прототип).

40 мирующего и второго вычитающего счетчиков, выход стартстопного гене« ратора соединен с входом третьего делителя, через третий ключ с sxoдом четвертого делителя, через четвертый ключ с входом третьего суммирующего счетчика и с вторым входом третьего переключателя, через пятый ключ с входом четвертого суммирующе

ro счетчика и с вторым входом четвертого переключателя, выход четвертого делителя через шестой ключ соединен с входом первого счетчика фазы и с вторым входом первого переключателя, а через седьмой ключ с входом второго счетчика фазы и с вторым входом второго переключателя, выходы счетчиков Фазы подключены к соответствующим входам второй схеви сравнения, выход которой соединен с входом стартстопного генератора| выходы первого суммирующего счетчика и счетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответст- вующим входам первого двоичнсио умножителя, выходы второго суммиряощего счетчика и счетчика второй ортого- нальной составляющей подключеяы к соответствующим входам второго двоич" ного умножителя, выходы первого вычитающего и третьего суммирующегоi счетчиков подключены к сортветствую". щим входам третьего двОичноГо згмнОжителя, выходы второгО вичитающего и четвертого суммирующего счетчиков подключены к соответствующим вход@И четвертого двоичного умножителя, выход третьего делителя соединен с входом первого триггера, первый вы» ход которого соединен с йервыми управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого переключателей, вторые управляющие входы которых соединены с вторым выходом первого триггера и с .управляющими входами шифратора и первого, второго и третьего ключей, выходы первого и второго двоичных умножителей соединены с соответствующими входами вто"

poro триггера, выход которого соеди нен с управляющим входом четвертого ключа, выходы третьегО rr четвертого двоичных умножителей соединены с соответствующими входами третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первой схемы сравнения соединен с управляющим входом седьмого ключа и через инвертор с управляющим вхо993282

Составитель Г, Осипов

Техред N. Костик Корректор И. Иулла

Редактор В. Пет ра а.Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 481/б7 Тираж 704 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3(-35, Раушская наб., д, 4/5