Адаптивный фильтр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН 19) (11) 1032 7 3 а) б 13 БР СВИДЕТЕЛЬСТ АВТОРСИ о 0-Шого уп ОСУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(56) 1, Брайсон А, и Прикладная теория оптимальн равления, М фМир, 1972, с, 487.2. Лайниотис Д. Г. Разделение - еди ный метод, построения адаптивных систем. ТИИЭР, т, 64, 1976, М 8 (прототип). (54)(57) АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР, содержащий фильтр Калмана, соединенный первым входом с первым входом блока определения апостериориых плотностей вероятностей, ь выходов которого подключены соответственно к первым вхо дам 3 умножителей, соециненйых выходами соответственно с 1 входами сум матора, о т л и ча ю ш и й с я тем, что, с целью упрощения, в него.введены 3 экстраполяторов измеряемого сиг нала, блок определения цисперсии средне го значения сигнала возмущения, блок установки фиксированных значений сигна ла возмущения,;блок преобразования и два блока задержки, а фильтр Калмана выполнен с дополнительным выходом от его блока экстраполяции оцениваемого сигнала, при этом основной выход фильтра Калмана является выходом ацаптивного фильтра, дополнительный выход сое динен с входом блока преобразования, соединенного выходом с первыми входа ми 1 экстраполяторов измеряемого сигнала, каждый из 8 вторых входов которого соединен соответственно с одним из Я выходов блока установки фиксированных значений сигнала возмущения, с вторым входом одного иэумножителей и с одним из 1 первых входов блока определения дисперсии срецнего значения сигнала возмущения, а выходы соецине- д ны соответственно с одним из С вторых входов блока определения апостериориых плотностей вероятностей, кажцая иэ 6 выходов которого соединен соответственно с одним из 6 вторых вхоцов блока определения дисперсии среднего значения сигнала возмущения, соединенного третьим входом с выходом сумматора и че рез первый блок задержки - с вторым входом фильтра Калмана, а выходом че реэ второй блок задержки - с третьим входом фильтра Калмана. ЬРфь1032Изобретение относится к самонастра"иваюшимся системам управления и регулирования.,и может быть использованодля фильтрации и получения высокоточной оценки параметров состояния пинами 5ческих систем, сигнал возмущения которых изменяется случайным образом.Известны устройства цля оценки состояния дискретных динамических систем, представляющие собой фильтр Калмана и паюшие оптимальную устойчивуюнесмещенную оценку состояния пинамической системы по измерениям ее выхопного сигнала,В общем случае фильтр Калмана содрржит три сумматора, блок .усиленияс переменным коэффициентом К, блокпреобразования параметров состояния Н(блок преобразования), блок экстраполяции оцениваемого сигналаф, блок преобразования сигнала возмущения Г и блокзадержки, причем первый вход первогосумматора соединен с первым входомфильтра Калмана, второй вхоа первогосумматора через инвертор и блок преобразования подключен к выхопу третьегосумматора и первому входу второго сумматора, а выхоп через блок усиленияк второму вхопу второго сумматора, выход которого, являющийся выходом фильм.ра Калмана, через блок эапержки уоепинен с входом блока экстраполяции оцениваемого сигнала, выхоп которого попключен к первому вхоцу третьего сумматора, второй вход которого поцключен квыхопу блока преобразований сигналавозмущения, вхоц которого являетсявторым входом фильтра Калмана, а еготретьим входом является второй входблока усиления с переменным коэффициентом К. фильтр Калмана пает высокую40точность оценки параметров состояниядискретной динамической системы приотсутствии возмущения ее параметров . 1. Однако в реальных пинамических системах такое возмущение (прецна меренное или случайное) присутствует,поэтому точность оценки параметровсостояния таких систем данным устрой.ством является низкой,50Наиболее близким по технической суш ности к преплагаемому ацаптивному фильтру является устройство оценки па раметров состояния цинамической системы, прецставляюшее собой разделенный 55 ацаптивный фильтр, соцержащийфильтров Калмана,умножителей, сумматор и блок опрепеления апостериоуных плот 427 2ностей вероятностей оценок параметровсостояния динамической системы (блокопрепеления апостериорных плотностейвероятностей), первый вход которого соединен с входом разделенного апаптивпого фильтра, а 1 выходов соответственноподключены к первым входам Г умножите=лей, выхопы которых подключены соответственно к С входам сумматора, входразделенного адаптивного фильтра соепинен с первыми вхопамифильтров Калмана, выходы которых подключены квторым входам блока определения апостериорных плотностей вероятностей и квторым входам 8 умножителей, выходомразпеленного апаптшзного фильтра является выход сумматора,В разпеленном фильтре оценка параметров состояния пискретной динамическойсистемы формируется на выходе сумматора как взвешенная сумма 8 оценок этихже параметров, получаемых на выхопахфильтров Калмана, имеющих различныефиксированные значения сигнала возмущения. Высокая точность оценки параметров состояния системы, получаемая навыходе разпеленного апаптивного фильтра,достигается за счет задания множествадискретных значений сигнала возмущенияв 6 фильтрах, охватывающего априорнуюобласть изменения сигнала возмущениядинамической системы,: взвешивания в со-.)ответствии со значениями апостериорцыхплотностей вероятностей частотных оценок, получаемых каждым из (, фильтровКалмана 12,Недостатком разделенного апаптивногофильтра является его громоздкость,поскольку он сопержит 5 сложных устройств фильтров Калмана,Цель изобретения, - упрощение разпеленного адаптивного фильтра пля оценки параметров состояния дискретной пинамической системы с высокой точностью при наличии возмущения ее параметров.Поставленная цель постигается тем, что из разделенного адаптивного фильтра измываются 11 фильтров Калмана, а в адаптивный фильтрсопержаший опии фильтр Калмана, соепиненный первым входом с первым входом блока опрепеления апостериорных плотностей вероятностей, 8 выходов которого подключены соответственно к первым входам 8 умножителей, соепиненных выхопами соответ ственно с 0 входами сумматора, ввепены 3 экстраполяторов измеряемого сигнала, блок определения дисперсии средЭ 1 О 324 него значения сигнала возмущения, блок установки фиксированных значений сигнала возмушения, блок преобразования и ава блока задержки - блок задержки среднего значения сигнала возмущения и блок задержки дисперсии среднего значения сигнала возмущения (блок задержки), причем фильтр Калмана выполнен с дополнительным выходом от его блока экстраполяции оцениваемого сиг О нала, при этом основной выход фильтра Калмана является выходом аааптивного фильтра, аополнительный выход соединен через блок преобразований с первыми входами 3 экстраполяторов измеряемого сиг 15 нала, кажаый извторых входов которого соединен соответственно с одним иэ 0 выходов блока установки фиксированных значений сигнала возмущения, с вторым входом оаного иэумножителей и с оа ним изпервых входов блока определения дисперсии среднего значения сигнала возмущения, а выходы соединены соответственно с оаним иэ 1 вторых входов блока определения апостериорных плот нос 1 ей вероятностей, каждый из 8 вьжодов которого соединен соответственно с одним из вторых вхопов блока определения дисперсии срванего значения сигнала возмущения,. соединенного тре- ЗО тьим входом с выходом сумматора и через первый блок задержки - с вторым входом фильтра Калмана, а выходом через второй блок задержки - с третьим входом фильтра Калмана.35Упрощение адаптивного фильтра по сравнению с разделенным адаптивным фильтром заключается в том, что вместо взвешенного суммирования выходных,. сигналовфильтров Калмана (результа тов оценки параметров состояния дискретной динамической системы каждым изфильтров, настроенных на фиксированные значения сигнала возмущения) в прототипе в представленном устройстве Осущесь 45 вдяется взвешенное суммирование значеЮ ний сигнала возмущения и полученный сигнал подается на второй вход единственного в этом устройстве фильтра Кадмана. Введение 3 экстраподяторов измеряемого сигнала, блока преобразований, блока установки фиксированных значений сигнала возмущения, блока опреаеления дисперсии среднего значения сигнала возмущения и двух блоков эапержки с описанными их взаимными связями позволяет сформиро вать требуемый переменный сигнал воэ мущения для одного фильтра Калмана 27 4таким образом, чтобы в каждый моментизмерений он был равен вероятному значению возмущения выходного сигналадискретной динамической системы.На чертеже представлена блок схемаапаптивчого фильтра,Адаптивный фильтр содержит фильтрКалмана 1, блок 2 бпреаеления апостериорных плотностей вероятностей, В умно,жителей 3, сумматор 4,экстраполяторов 5 измеряемого сигнала, блок 6 опреаеления дисперсии среднего значения сигнала возмущения, блок 7 установки фиксированных значений сигнала возмущения,блок 8 преобразования и ава блока 9 запержки. Фильтр Калмана 1 содержитблок 10 преобразования, сумматор 11,блок 12 усиления. с переменным коэффициентом, сумматор 13, блок 14 задержки,блок 15 экстраполяции оцениваемого сигнала, блок 16 преобразования сигналавозмущения, сумматор 17, соединенныемежпу собой известными связями, ФильтрКалмана 1 выполнен с дополнительнымвходом от его блока 15 экстраполяцийоцениваемого сигнала, при этом основной выход фильтра Калмана 1 являетсявыхоаом аааптивного фильтра, а дополнительный выход через блок 8 преобразования попключен к первым вхоаам 1 экстраполяторов 5 измеряемого сигнала, каждый из вторых вхоаов которых соединенсоответственно с одним из 1 выходовблока 7 установки фиксированных значений сигнала возмущения, вторь 1 м входомодного иэумножителей 3 и одним из ьпервых входов блока 6 определения дисперсии среднего значения сигнала возмущения, а выходы подключены соответственно к оаному из 6 вторых входов блока 2определения апостериорных плотностейвероятностей, каждый из выхоаов которого соединен соответственно с одним из 0вторых входов блока 6 определения пиперсии среднего значения сигнала возмущения, соединенного третьим входом свыходом сумматора 4 и через первыйблок 9 задержки с вторым входом фидыра Калмана 1, а выходом через второй1блок задержки 9 - с третьим вхоаомфильтра Калмана 1, первый вход которого соединен с первым вхоаом блока 2определения апостериорных плотностейвероятностей, 0 выходов которого подключены соответственно к первым входам умножителей 3, соеаиненны выходами соответственно с входами сумматора 4,2427 Ь де Г - матрица преобразования сиг- нала возмущения, это та матрица, которая используется в блоке 16 преобразования сигнала возмущения фильтра Калмана 1,Эти В сигналов поступают насоответъствуюших вторых входов блока 2 определения апостериорных плотностей вероятностей, поскольку на первый вход этогоблока в момент 6 поступает сигнал 1,55 Сравнительные испытания и редлага 3 1 ОЗВ установившемся режиме ацаптивный . фильтр работает слепуюшим образом.В момент входной сигнал адаптивного фильтра поступает на первый вход фильтра Калмана 1 и на первый вход блока 2 определения апостериорных плотностей вероятностей, В этот же момент временина выходе блока 7 установки фиксированных значений сила возмущениявырабатывается 6 различных между собой постоянных сигналов 6 (р ф, которые поступают на вторые 8, входов экстраполяторов 5 измеряемых сигналов, на вторые входы 1 умножителей 3 и на первых входов блока 6 определения дисперсии среднего значения сигнала возмущения. На первые входы 1 экстраполяторов 5 измеряемого сигнала поступает сигнал с, задержанный в момент 1, в блоке 14 задержки фильтра Калмана 1, проэкстраполированный в блоке 15 эстреюляции оцениваемого сигнала фильтра Калмана 1, преобразованный в блоке 8 преобразований выходной сигнал Х , фильтра Калмана 3.л л=ИФ1где ф - матрица экстраполяции сигналана момент 61 1Ц - матрица преобразования оцениваемого сигнала, устанавливающая соответствие между измеренным сигналом и оцениваемым вектором параметров состояния дискретной минам ической систе мы, это та Матрица, которая используется в блоке 3.0 преобразования фильтра Калмана 1.В моментформируются сигналы 73- выходных сигналов экстраполяторов 5 измеряемого сигнала, кажпый из которыхпредставляет собой проэкстраполированное на момент Ь 1 значение измеряемого сит- нала, возмущенного одним из фиксированных сигналов 5 О 15 20 25 ЗО Я 5 40 45 то на 1 выходах его в этот момент вреМени формируется 1 выходных сигналов Р - апостериорных плотностей вероятностей частных оценок параметров состояния дискретной динамической систе мы при фиксированных значениях сигнала возмущения в момент времени 1, которые формируются по правилу Байеса 23, Эти Г сигналов поступают на соответствующие первые входы 1 умножителей 3 и на 8 вторых входов блока 6 определения дисперсий среднего значения сигнала воз мушения. В момент времени Ь; на выходах 8 умножителей Э образуются сигналы С 1 (=), взвешенные в соответствии со своими плотностями вероятности Р 1, значения сигнала возмущения 4, (,13:Р.Я которые в момент 1; суммируются в сумматоре 4, образуя срернее значение сигнала возмущения д =,7. СД которое задерживается в первом блоке 9 задержки до следующего момента проведения измерений 6 и одновременно в момент Ь 1 поступает на третий вхоц блока 6 определения дисперсии среднего значения сйгнала возмущения. Выходной сигнал 3 этого блока в момент с формируется в соответствии с формулой 33 = Е ф,- -91, и задерживается на второмЪ1блоке 9 задержки по следующего момента времени Ь.Задержанные с момента временивыходной сигнал 6 сумматора 4 и выходной сигнал блока 6 определения дисперсии среднего значения сигнала возмущения 3,;, в момент споступают соответственно на второй и третий входы фильтра Калмана 1 и, поскольку на первый вход фильтра Калмана 1 в этот момент Ф,поступает сигнал 21, на выходе фильтра Калмана 1 образуется .13 сиг- нал , представляющий собой оценкулвектора параметров состояния динамической системы при наличии возмущения ее параметров, В момент +процесс повторяется.Таким образом, Ь ацаптивном фильтре осуществляется формирование изменяющегося сигнала возмущения и последую шее его использование в стандартном фильтре Калмана, что позволило упростить адаптивный фильтр по сравнению с разделенным ацаптивным фильтром за счет изъятия 1-1 фильтров Калмана. емого адаптивного фильтра с известнымипоказали, что технические характеристики по надежности функционирования сиЪсецкаяКорректор Ь, Бутяга тавитваь Ихрец А,Баби Редактор Й,нова 51 Тираж 874 ИИПИ Государственного комитет по целам изобретений и открыт 5, Москва, Ж, Раушская наб одписноеР,ц.4 т", г. Ужгород, ул. П иал ППП "П ая,7 1032427 8стемы фильтрации и прогнозирования при нимальная загрузка аппаратуры и вычисприменении изобретения могут быть лительных средств наряду с высокими улучшены в Э - 11 раз, Это позволяет требованиями, предъявляемыми этими испольэовать его в системах, в которых системами к точностным характеристи необходима.минимальная стоимость и микам фильтров.