Сглаживающий фильтр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК СССР ОТКРЫТИЙАНИЕ ИЗОБРЕТ идетельство СССР 5/01, 1981 ОСУДАРСТВЕННЦЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Сибирский ардена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийинститут им.Серго Орджоникидзе(54)(57) СГЛАЖИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР поавт,св. У 980065, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повьппения эффективности фильтра, в нем дополнительно установлены второй, третий и четвертый блоки управления,первый и второй элементы И, последовательно соединенные второй блок сравнения, третий фильтр низкой частотыи второй ключ, последовательно соединенные четвертый фильтр низкой часто"ты, третий блок сравнения, пятыйфильтр низкой частоты, четвертый,801117583ц С 05 В 5/01 блок сравнения, шестои фильтр низкой частоты, третий ключ и второй блок суммирования, вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого /фильтра низкой частоты,соединенного входом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющимивходами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом через второй блок управления к .выходу пятого фильтра низкойчастоты, первый вход второго элемента И через третий блок управления соединен С выходом третьего фильтра низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления - с выходом шестого фильтра низкой частоты, а выход - с управляющими входами вто- ффффф рого и третьего ключей, выход второ- кафф го ключа подключен к третьему входу мффь первого блока суммирования.СЛ1 1117Изобретение относится к устройствам фильтрации и может быть использовано в системах управления промышпенными объектами для выделения полезных низкочастотных составляющихмногомерных сигналов на фоне высокочастотных стохастических и детерминированных помех высокого уровня.По основному авт,св. 0 ф 980065 известен сглаживающий фильтр, содержащий последовательно соединенныепервый фильтр низкой частоты, первыйблок сравнения, второй фильтр низкой частоты, ключ и блок суммирования, подключенный вторым входом к выХоду первого фильтра низкой частоты,входом подключенного к второму входублока сравнения, выход второго фильтра низкой частоты через блок управле.ния подключен к управляющему входуключа, причем блок управления со-,;держит последовательно соединенныедетектор знака, первый сумматор, первый интегратор, первый квадратор и второй сумматор последователь25но соединенные дифференциатор, третийсумматор, второй интегратор, второйквадратор, четвертый сумматор и элемент ИЛИ, вторым входом подключенныйк Выходу второго сумматора, а выхо 30дом - к выходу блока управления, входом подключенного к входам детектора знака и дифференциатора, а вторыевходы первого, второго, третьего ичетвертого сумматоров подключеныСоответственно к выходам первого35интегратора, первого задатчика, второгп интегратора и второго задатчика 1 .Недостатком известного сглаживающего фильтра является его низкаяэффективность, т.е. низкая точностьвыделения полезного сигнала, обусловленная тем, что при фильтрации многомерного сигнала не учитываются взаимосвязи между составляющими этого сигнала.Цель изобретения - повышение эффективности фильтра,Поставленная цель достигается тем,что в сглаживающем фильтре дополнительно установлены второй, третийи четвертый блоки управления, первыйи второй элементы И, последовательносоединенные второй блок сравнения, третий фильтр низкой частоты и второй 55ключ, последовательно соединенныечетвертый фильтр низкой частоты, третий блок сравнения, пятый фильтр низкой частоты, четвертый блок сравнения, шестой фильтр низкой часто.;, третий ключ и второй блок суммирования вторым входом через четвертый ключ подключенный к выходу пятого фильтра низкой частоты, а третьим входом подключенный к выходу четвертого фильтра низкой частоты, соединенного вхо-, дом с вторым входом третьего блока сравнения, выходом подключенного к второму входу четвертого блока сравнения, выход первого блока управления соединен с управляющими входами первого и четвертого ключей через первый элемент И, подключенный вторым входом через второй блок управления к выходу пятого фильтра низкой частоты, первый вход второго элемента И через третий блок управления соединен с выходом третьего фильтра низкой частоты, второй вход через четвертый блок управления с выходом шестого фильтра низкойчастоты, а выход - с управляющими входами второго и третьего ключей, выход второго ключа подключен к третьему входу первого блока суммирофвания.Подключение уровней более быстродействующих фильтров (третий уровень - третий и шестой фильтры низкой частоты, второй уровень - .второй и пятый фильтры низкой частоты) производится в том случае, если их выходные сигналы одновременно содержат относительно низкочастотные составляющие или имеет место значительная скорость изменения, этих низкочастотных составляющих. Тем самым на выход сглаживающего фильтра не пропускается высокочастотная помеха и хорошо отслекиваются изменения полезных составляющих многомерных сигналов за счет подключения уровней быстродействующих фильтров.По аналогии можно построить фильтр с,любым числом быстродействующих уровней.На фиг,1 представлена структурная схема сглаживающего фильтра, на фиг.2 - структурная схема блока управ - пения сглаживающего фильтра., на фиг,З - фрагмент реализации многомерного сигнала и полезной составляющей, выделенной с помощью предлагаемого и известного фильтров,Фильтр содержит первый фильтр 1 низкой частоты, первый блок 2 сравнения, второй фильтр 3 низкой час 3 11175тоты, первый ключ 4, первьп блок 5суммирования, второй блок 6 сравнения, третий фильтр 7 низкой частоты,второй ключ 8, первый и третий блоки 9 и 10 управления, второй эле 5мент И 11, первый элемент И 12, второй и четвертый блоки 13 и 14 управления, четвертый блок 15 сравнения,шестой фильтр 16 низкой частоты,третий ключ 17, второй блок 18 суммирования, третий блок 19 сравнения,пятый Фильтр 20 низкой частоты, четвертый ключ 21, четвертый фильтр 22низкой частоты, детектор 23 знака,первый сумматор 24, первый интегра 15тор 25, первый квадратор 26, первыйзадатчик 27, второй сумматор 28, элемент ИЛИ 29, дифференциатор 30, третий сумматор 31, второй интегратор 32,второй квадратор 33, четвертьп сумма 20тор 34 и второй задатчик 35. При этомХ,(Т) и Х - составляющие измеренного многомерного сигнала,Ъ ШХ) и Х- сглаженные сигнал Флы первого уровня; Х и Хсглаженные сигналы второго уровня,ОХ и Х- сглаженные сигналы третьего уроня, Х.(г.) и Х-сглаженные сигналы составляющих многомерного сигнала. На фиг.3 обозначены полезный сигнал А, оценки полезного сигнала предлагаемым В и известным С Фильтрами, а также исходный сигнал 0Все блоки 9, 10, .13 и 14 управления построены по одной схеме (Фиг.2) . З 5Первый, второй, третий и четвертый ключи 4, 8, 17 и 21 являютсязамыкающими ключами.Фильтры 1, 3, 7, 16, 20 и 22 низкой частоты могут быть реализованы фв виде последовательно включенныхэлемента сравнения, ограничителя сигнала и интегратора, выход которогоподключен к выходу фильтра низкойчастоты и одному из входов элемента сравнения, другой вход которогосоединен с входом фильтра низкойчастоты. Ограничитель сигнала реализован с помощью усилителя в режименасыщЕния 50Фильтры низкой частоты работаютследующим образом.Входной сигнал фильтра низкой час.тоты поступает на один из входовэлемента сравнения, на другой вход 55которого поступает сигнал с выходаинтегратора. Сигнал о разности с выхода элемента сравнения поступает 83 4на вход интегратора через ограничитель сигналов, которьп "срезает отдельные большие выбросы. На выходе интегратора, соединенного с выходом Фильтра низкой частоты, получается сглаженное значение исходного сигнала.Сглаживающий фильтр работает сле)дующим образомСоставляющие измеренного многомерного сигнала Х и Х (с) поступают на входы фильтров 1 и 22 низкой часто. .ты первого уровня соответственно. Сиг налы с входов и выходов фильтров низкой 1 и 22 частоты поступают на первые.и вторые входы соответственно пер. вого и третьего блоков 2 и 19 сравнения. Сигналы с выходов первого и третьего блоков 2 и 19 сравненияхИ):х(о -х(цх й) =х,(ц. х, ).поступают на входы фильтров 3 и 20ю низкой частоты второго уровня соответственно. Фильтры 3 и 20 низкой частоты второго уровня являются более быстродействующими по сравнению с Фильтрами 1 и 22 низкой частоты первого уровня.Входы и вь 1 ходы фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня соединены с первыми и вторыми входами соответственно второго и четвертого блоков 6 и 15 сравнения. Сигналы с выходов второго и четвертого блоков 6 и 15 сравненияпоступают на входы Фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня, которые являются более быстродействующими по сравнению .с Фильтрами 3 и 20 низкой частоты второго уровня.Далее вырабатываются сигналы на подключенные к входам блоков 5 и 18 суммирования Фильтры 3, 20,7 и 16 низкой частоты второго и третьего уровней. Для этого выходные сигналы Фильтров 3 и 20 низкой частоты второго уровня подаются на входы первого и второго блоков 9 и 13 управления, а выходные сигналы фильтров 7 и 16 низкой частоты третьего уровня подаются на входы третьего и четвертого блоков 10 и 14 управления.Первый блок 9 управления работает следующим образом.111758 3Входной сигнал первого блока 9 управления подается на вход детектора 23 знака с законом функциони- рования1(-ю 1 при хИ)зО) й(Ц:51 х- (1 Ц:1 пи хйсо. Сигнал с выхода детектора 28 знака сглаживается экспоненциальным сглаО живателем, реализованным с помощьюпервого сумматора 24 и первого инь Ц ,тегратора 25. Если в сигнале х, ) Имеется относительно низкочастотная составляющая, то выходной сигнал первого интегратора 25 стремится к +1 или -1, Если же такая составляющая отсутствует, то выходной сигнал первого интегратора стремится к О. Выходной сигнал первого интегратора 25 поступает на первый квадратор 26 в котором устраняется знак сигнала. Выходной сигнал первого квадратора 26 сравнивается во втором сумматоре 28 с постоянным сигналом, равным, на пример, 0,9, поступающим с задатчика 27 на вход второго сумматора 28. Если выходной сигнал первого интегратора 25 превышает заданную величину, то срабатывает элемент ИЛИ 29 И подает сигнал на выход первогоблока 9 управления.Производится также анализ скоросл Пти изменения(С) . С этой целью ппределяется его.производная в дифФеренциаторе 30, которая сглаживает 35 ся в экспоненциальном сглаживателеэлементы 31 и 32), работающем аналогично сглаживателю (элементы 24 и 25) . Слаженный сигнал о скоростиизменения х, Й) поступает на второй квадратор 33, а затем сравнивается в четвертом сумматоре 34 с постоянной величиной, поступающей с второго задатчика 35 и выбираемой в завиа 5симости от скорости изменения х 1).л уЕсли скорость изменения Х (О большая, то срабатывает элемент ИЛИ 29и подает сигнал на выход блока 9 управления.Блоки 10, 13 и 14 управления рабо Отают аналогично.Подключение фильтров 3, 20 и 7, 16низкой частоты второго и третьегоуровней к блокам 5 и 18 суммированияпроизводится по следующей схеме.При наличии одновременно выходныхсигналов с третьего и четвертого блоков 10 и 14 управления, что свидетель 3 6л / ствует о наличии в сигналах х, 1) и Х.) Й) относительно низкочастстных составляющих или больших скоростей изменения этих составляющих, срабатывает второй элемент И 11 и подает сигнал на управляющие входы второго и третьего ключей 8 и 17. При поступлении сигналов на управляющиевходы второго и третьего ключей 8 и 17,сигнальные входы этих ключей ,соединяются с их выходами, подключая тем самым выходы фильтров 7 и 16 низкой частоты к входам первого и второго блоков 5 и 18 суммирования.Выходные сигналы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны Если хотя бы в одном из выходных сигналов фильтров 7 и 16 низкой частоты отсутствует низкочастотная составляющая или большая скорость ее изменения, то второй и третий ключи 8 и 17 разомкнуты.При наличии одновременно выходных сигналов с первого и второго блоков 9 и 13 управления, что свидетельствует о наличии в сигналах м(С)и Х Й) относительно низкочастотных составляющих или большихскороствй их изменения, срабатывает первый элемент И 12 и замыкает первый и четвертый ключи 4 и 21, которые работают аналогично второму и третьему ключам 8 и 17. Тем самым подключаются к входам первого и второго блоков 5 и 18 ) суммирования выходы соответственно второго и пятого фильтров 3 и 20 низкой частоты,Выходные сигналы первогс и второго сумматоров блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны При отсутствии относительно низкочастотных составляющих в выходных сигналах фильтров 3, 20 и 7, 16 низкой частоты соответственно второго и третьего уровней на входы первого и второго блоков 5 и 18 суммирования поступают только выходные сигналы фильтров 1 и 22 низкой частоты первого уровня. Выходные сигналы первого7 1 и второго блоков 5 и 18 суммирования в этом случае равны соответственнох,):х, И 1,х 1 Ч:х В 1.Введение предлагаемых блоков и связей позволяет повысить эффективность сглаживающего фильтра (т.е, повысить точность выделения многомер 17583 8ного полезного сигнала) по сравнению с известным фильтром на 10-357 за счет учета взаимосвязей составляющих многомерного сигнала, Большой разброс повышения точности объясняется разно. образпем структур полезных сигналов. Умсньшенце среднемодульной ошибки выделения полезной составляющей многомерного сигнала составляет 317.1117583 Ю.Гладк а ставитель хред 7. Фан Подписикомитета СССРткрытийушская наб., д. тная, 4 илиал ППП "Патент", г. Ужг актор О.Юрковецк акаэ 7217/30 ВН по