Фильтр для систем автоматического регулирования

(59 6 05 В 5 01 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н дотокноот аоодотоодотвт ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАЕМ ИЗОЫ ЕТЕНИй И Ода ЫтЮ(71) Киевский институт автоматикиим. ХХУ съезда КПСС(56) 1. Авторское свидетельство СССРМ 289505, кл. 6 05 В 5/01, 1969.2. Авторское свидетельство СССР9307394, кл. 6 05 В 5/01, 1970.3. Авторское свидетельство СССРР 560203, кл. 6 05 В 5/01, 1974(54) (57) ФИЛЬТР ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМА,ТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, содержащийусилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор,первый суюьатор, инвертор и второйсумматор, о т л н ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повьавения эффективности, в нем дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель с насьацением, подключенныйвходом к выходу второго сумматора,а выходом - к входам блока сигнатуры и усилителя, выход которого черезапериодическое звено подключен квторому входу первого сумматора.На чертеже представлена блок-схема фильтра.Фильтр содержит второй сумматор 1усилитель 2 с насыщением, усилитель3, блок 4 сигнатуры, апериодическоезвено 5, интегратор б, первый сумматор 7 и инвертор 8,На чертеже представлена блок-схема конкретного примера выполненияфильтра, используемого в подсистемеавтоматического контроля температурыфурменной зоны доменной печи. В этомслучае источником внешнего сигналаявляется оптический пирометр излучечения не показан ). Второй сумматор1 выполнен, например, в виде суммирующего операционного усилителя,первый вход которого является входомфильтра, Выход второго сумматора 1подключен к входу усилителя 2 с насыщением, т.е. к входу первого нелинейного звена, выполненного, например, в виде операционного усилителяс небольшим коэффициентом усиленияи с ограничителями амплитулы сигналана выходе, Выход усилителя 2 с насыщением подключен к входам усилителя2 и блока 4 сигнатуры, т.е. к входувторого нелинейного элемента, выполненного, например, в виде операционного усилителя с большим коэффициентом усиления с ограничителями амплитуды сигнала на выходе. Выходусилителя 3 подключен к входу апериодического звена 5, реализованного,например, в виде электрической ВС-цепи. Выход блока 4 сигнатуры подключен к входу интегратора б, выполненного, например, в виде операционногоинтегрирующего усилителя, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 7, к второму входукоторого подключен выход апериодического звена 5, а выход которогоявляется выходом фильтра и подключен к входу инвертора 8, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 1,фильтр работает следующим образом.Когда в выходном сигнале пирометра нет импульсных помех, нет постоянно действующей высокочастотной помехи и абсолютное значение скоростиизменения полезного сигнала не превышает заданной величины, контурфильтра линеариэуется в звено с единичным коэффициентом усиления. Этообъясняется тем, что при изменениисигнала на входе фильтра на выходе второго сумматора 1 появляется сигнал,который, проходя беэ искажений черезусилитель 2 с насыщением, выводитблок 4 сигнатуры в одно иэ двух возможных состояний, при этом начинаетизменяться выходной сигнал интегратора б, который, проходя через первый сумматор 7 и инвертор 8, вычиИзобретение относится к элементам систем автоматического регулирования и может быть применено всистемах, в выходных сигналах датчи-ков которых имеются импульсные помехи, например в системе управлениядоменным процессом, в которой в качестве датчиков температуры используются оптические пирометры излучения.Известен фильтр для систем авто Оматического регулирования, содержащий последовательно соединенные первый усилитель, блок сравнения, усилитель с насыщением, интегратори второй усилитель, подключенный 15входом к второму входу блока сравнения Г 13.Недостатком такого фильтра является значительное, даже при отсутствии помех, воздействие на полезный сигнал, которое проявляется, вчастности, в виде фазовых искажений,искажений формы и т.п.Известен фильтр для систем автоматического регулирования, содержащий последовательно соединенныепервый сумматор, блок сигнатуры,второй сумматор, интегратор и инвертор, подключенный выходом к второмувходу первого сумматора, и дифференциатор, подключенный выходом к второму входу второго сумматора 23.Недостатокэ-ого фильтра - искажение полезного сигнала по амплитуде.Наиболее близким по технической; сущности к предлагаемому является Фильтр, содержащий усилитель и после довательно соединенные блок сигна- .туры, интегратор, второй сумматор,инвертор и второй сумматор, подключенный выходом к входу блока сигна О туры, выходом подключенного черезусилитель к второму входу первогосумматора Г 33Недостатком известного Фильтра является его низкая эффективность в 4 связи с искажением полезного сигнала и наличием высокочастотной помехи в его выходном сигнале.Цель изобретения - повышение эффективности фильтра путем уменьшения высокочастотной составляющей в его выходном сигнале.Поставленная цель достигается тем, что в Фильтре для систем автоматического регулирования, содержащем усилитель и последовательно соединенные блок сигнатуры, интегратор, первый сумматор, инвертор.и второй сумматор, дополнительно установлены апериодическое звено и усилитель снасыщением, подключенный входом к 60 выходу второго сумматора, а выходом - к входам блока сигнатуры и усилителя, выход которого через апериодическое звено подключен к второму входу первого сумматора. 651016770 20 3тается во втором сумматоре 1 из входного сигнала Фильтра и тем самым компенсирует его. При этом на выходе второго сумматора 1 возникает пере- . менный сигнал большой частоты с амплитудой, близкой к нулевому значению, на выходе блока 4 сигнатуры возникает меандр. такой же частоты, а на выходе интегратора 6 постоянно поддерживается значение входного сигнала фильтра. Сигнал с выхода второго сумматора 1 без искажений проходит через усилитель 2 с насыщением на вход усилителя 3, после чего сглаживается в апериодическом звене 5 до нулевого значения. Таким образом, выходной сигнал фильтра определяется значением выходного сигнала интегратора 6, который повторяет значение входного сигнала Фильтра. В. этом случае Фильтр представляет собой звено с единичным коэффициентом усиления.При превышении абсолютного значения производной входного сигнала: фильтра заданной величины или что то же самое) при появлении импульсного выброса выходной сигнал интегратора б не успевает скомпенсировать изменение входного сигнала фильтра, в результате чего на выходе второго сумматора 1 появляется сигнал значительной величины, который выводит усилитель 2 с насыщением в режим насыщения, Таким образом, изменение выходного сигнала Фильтра в этом случае определяется суммой выходного сигнала интегратора б и медленно изменяющегося выходного сигнала апериодического звена,5, скорость которого определяетсй постоянной времени апериодического звена 5. Происходит сглаживание импульсного выбросаПри постоянно действующей на вхо" де фильтра высокочастотной помехе небольшойамплитуды сигнал на выходе интегратора б является огибающей суммарного входного сигнала снизу, если производная полезного сигнала положительна, и огибающей сверху, если производная полезного сигнала отрицательна, вследствие работы .бло,ка 4 сигнатуры, который при сильно отличающихся но абсолютной величине амплитудах положительного и отрицательного еигналов на входе принимает одинаковые по абсолютной величине и отличающиеся по знаку значения сиг цала ца выходе. Таким образом, после прохождения сигнала с. выхода интеко ратора б через первый сумматор 7, иивертор 8 и второй сумматор 1 на - выходе последнего выделяются высокочастотные колебания, наложенные на постоянную составляющую положительную или отрицательную в зависимости от знака производной полезного сигнала ) с величиной амплитуды равной примерно половине амплитуды высокочастотной помехи. Эти колебания безискажений проходят через усилитель2 с насыщением так как зона насыщения его выбрана таким образом,чтобы высокочастотная помеха не ограничивалась этой зоной ), усиливаются усилителем 3 и сглаживаютсяапериодическим звеном 5, на .выходекоторого присутствует постоянная 10 составляющая, суммирующая в первомсумматоре 7 с выходным сигналоминтегратора 6 и таким образом восстанавливающая значение полезногосигнала на выходе фильтра.15 Величина коэфФициента усиленияК усилителя 3 выбирается из соот- ношения где 3(р) - передаточная Функцияфильтра;р - оператор Тапласа;25 КС - постоянная времени апериодического звена 5.То есть К выбирается из условия,обеспечения неискаженной передачипостоянной составляющей высокочас тотных колебаний" и 1 ) и изК 11условия обеспечения достаточной веЯСличины времени Фильтра+ )Таким образом, введение апериодического звена 5, включенного междуусилителем 3 л вторым входом первого сумматора 7, позволяет сгладитьвысокочастотные колебания входногосигнала, выделенные в результате 40,действия Фильтра ) на выходе второгосумматора 1 и присутствующие во вход.ном сигнале усилителя 3. Причем вовходном сигнале усилителя 3 присутствуют только постоянно действующие 45 высокочастотные колебания, а импульсный выброс, поступающий на входфильтра, не:проходит ча вход усилителя 3 (,в связи с наличием зоны насыцения усилителя 2 с насыщением )и не оказывает влияния на выходной 50 сигнал фильтра. Однако введение апериодического звена 5 вносит запаздывание полезного сигнала при прохождении через фильтр, которое устраняется блоком 4 сигнатуры, т.е. нели нейным звеном типа "сухое трение",включенным между выходом усилителя2 с насыщением и интегратором 6. Этодостигается в результате того, чтопри скорости изменения полезного 60 сигнала, не превышающей скорости изменения сигнала ца выходе интегратора 6 а скорость изменения сигналана выходе интегратора б определяетсявеличиной выходного сигнала блока 4 65 сигнатуры и может принимать только10 Состави эель Г. НефедоваРедактор Л. Филь Техред И.Далекорей Корректор Л, Бокшан Тираж .874 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5: аф,Мр ".,ф 1 А 67 два значения - -равнйе по абсблютйой величине и разные по знаку), выходной сигнал фильтра полностью повторяет полезный сигнал, т.е. в этом случае фильтр линеаризуется в звене с единичнымкоэффициентом усиления.Линеаризация фильтра в звено с единичным коэффициентом усиления возможна вследствие того, что скорость изменения сигнала на выходе интегратора 6 больше скорости изменения 10 сигнала на входе фильтра что связано с выбором величины уровня выходного сигнала усилителя 2 с насыще" нием ). Это в свою очередь позволяет быстро компенсировать во втором 15 сумматоре 1 небольшие изменения сигнапа на входе фильтра. Выходной сигнал второго сумматора 1 при этом становится мало отличающимся от нулевого значения, а выходной сигнал фильтра повторяет значение полезного сигнала на входе фильтра. Постоянная составляющая на выходе апериодического звена 5 суммируется в первом сумматоре 7 с выходным сигналом интегратора 6, в результате чего на выходе фильтра. восстанавливается значение полезного сигнала более точно, чем в прототипе, где усредненное значение полезного сигнала уменьшено.30.Таким образом, введение апериодического звена 5, вход которого подключен к выходу усилителя 3, а выход - к второму входу первого сумматора 7, и усилителя 2 с насыщением, вход которого подключен к выходу второго сумматора 1, а выход - к вхоцам усилителя 3 и блока 4 сигнатуры, позволяет устранить в выходном сигнале фильтра постоянно действующую на входе высокочастотную помеху, что повышает эффективность фильтра,Так, например, при измерении температуры видимой части стенки фурменной полости доменной печи оптическим пирометром неизбежно появление в выходном сигнале пирометра высокочастотной составляющей, обусловленной непрерывной циркуляцией холодных кусков кокса перед фурмой. Амплитуда высокочастотной составляющей измеряемого сигнала достигает 30-40 С, .что составляет 1,5-2 от среднего значения температуры фурменной эоны. Применение предлагаемого фильтра позволяет снизить высокочастотную помеху до уровня .0,01 от указанного среднего значения, т.е. практически устранить высокочастотную помеху в выходном сигнале пирометра, не исказив при этом значение теплового уровня фурменной эоны. Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность предлагаемого фильтра почти в десять раэ по сравнению с известными