Устройство для определения полярных координат осредненного вектора ветра

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 1993282(61) Дополнительное к авт. саид-ву- (22) Заявлено 223280 (21) 3224787/18-24 с присоединением заявки Мо 11) М.Кл.з О 06 0 7/22 Государствеииый комитет СССР ио бредам изобретеиий и открытийДата опубликования описания 3001,83 Рг) А .оризобретения, Е,Б. Грейэ Центральное конструкторское бюро гидроприборостроения(54) УСТРОЙСТВО.ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ КООРДИНАТ ОСРЕДНЕННОГО ВЕКТОРА ВЕТРА 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 ортогональныхпроекций изменения аргумента (угла),для чего в устройстве предусмотрендатчик кода приращения, коммутаторкодов, накопитель. кода аргумента,синусный и косинусный преобразователи, схема сравнения, блок. памяти,блок управления ).11,Однако вычислительные операции спроекциями вектора требуют полученияна каждом шаге полноразмерных числоимпульсных кодов, длина которыхопределяется произведением числадискрет ортогональной составляющейна число дискрет синуса или косинусаугла, что снижает быстродействие.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для осреднения вектораветра, содержащее датчик ветра, сое.диненный с цифровыкфазометром, синусо-косинусный Функциональныйпреобразователь, делители, счетчикиосредненных ортогональных.составляющих, счетчик среднего направления,счетчик средней скорости, счетчики,узлы сравнения, шиФратор, триггер,ключи. Устройство работает в двухрежимах, Первый режим - осреднениеортогональных составляющих вектораветра в течение периода осреднения,.По окончании периода осреднения начинается второй режим работы уст"ройства - преобразование полученныхортогональных составляющих вектора 15 ветра в полярные координаты, т.е.определение модуля вектора й угла Во втором режиме Фазометр Формирует последовательности импульсов,соответствующие кодам синуса и косинуса текущего значения аргумента,которое изменяется от О до 90фвключительно, причем количество 25 пачек синусов и ,осинусов.для каждога значения угла равно значениямортогональных составляющих. Это снижает быстродействие устройства, таккак Формируются число-импульсныекоды больших чисел.Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что устройство для определенияполярных координат осредненного вексинусный и косинусный преобразователи, входы которых соединены с выходами соответственнопервого и вторО" го переключателей, а выходы - с входами первого и второго делителей,выход первого делителя соединен спервым входом третьего переключателя, выход которого соединен с входом счетчика первой ортогональнойсоставляющей, выход второго делителя соединен с первым входом четвертого переключателя, выход которогосоединен с входом счетчика второйортогональной составляющей, первыевыходы счетчиков ортогональных составляющих соединены с соответствующими входами шифратора, а вторые выходы - с соответствующими входамипервой схемы. сравнения, выход шифратора соединен с первым входом счетчика аргумента, вторую схему сравнения, первый триггер, ключи, содержит также первый, второй, третий и четвертый суммирующие счетчики, первый и второй вычитающие счетчики,первый и второй счетчики фазы, первый, второй, третий и четвертыйдвоичные умножители, стартстопный генератор, третий и четвертый делисоединен с входами первого. суммирую" щего и первого вычитающего счетчиков, выход косинусного преобразователя через второй ключ соединен свходами второго суммирующего и второго вычитающего счетчика, выходстартстопного генератора соединен свходом третьего делителя, черезтретий ключ с входом четвертогоделителя, через четвертый ключ с входом третьего суммирующего счетчи" ка и с вторым входом третьего переключателя, через пятый ключ свходом четвертого суммирующего счетделителя через шестой ключ соединенс входом первого счетчика фазы и,с вторым входом первого переключателя, а через седьмой ключ с входомвторого счетчика Фазы, выходы счетчиков фазы подключенй к соответствующим входам второй схемы сравнения, выход которой соединен с входомстартстопного генератора, выходы тора ветра, содержащее датчик направления и скорости ветра, выходыкоторого соединены с соответствующими входами фазометра, выход которого соединен с первыми входамипервого и второго переключателей,тели, второй и третий триггеры иинвертор, при этом выход синусногопреобразователя через первый ключ чика и с вторым входом четвертогопереключателя, выход четвертого 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 . 55 60 65 первого суммирующего счетчика исчетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам первого двоичного умно-жителя, выходы второго .суммирующегосчетчика и счетчик второй ортогональной составляющей подключены к соответствующим входам второго двоичного умножителя, выходы первого вычитающего и третьего суммирующегосчетчиков подключены к соответствующим входам третьего двоичногоумножителя, выходы второго вычитающего и четвертого суммирующего счетчиков подключены к соответствующимвходам четвертого двоичного умножителя, выход третьего делителя соединен с входом первого триггера,первый выход которого соединен спервыми управляющими входами первого,второго, третьего и четвертого переключателей, вторые управляющиевходы которых соединены с вторымвходом первого триггера и с управляющими входами шифратора и первого,:второго и третьего ключей, выходыпервого и второго двоичных умножителей соединены с соответствующимивходами второго триггера, выходкоТорого соединен с управляющимфвходом четвертого ключа, выходытретьего и четвертого двоичных умножителей соединены с соответствующими входами третьего триггера, выходкоторого соединен с управляющим входом пятого ключа, выход первой схемы сравнения соединен с управляющимвходом седьмого ключа и через инвертор с управляющим входом шестогоключа.На чертеже представлена схемапредлагаемого устройства,Устройство содержит датчик 1направления и скорости ветра, фазометр 2, синусный функциональный преобразователь (СФП) 3, косинусныйфункциональный преобразователь (КФП)4, делители 5 - 8, стартстопныйгенератор 9, счетчики 10 и 11 ортогональных составляющих, суммирующиесчетчики 12 - 15, вычитающие счетчики 16 и 17, счетчики 18 и 19 фазы,счетчик 20 аргумента, схемы 21 и 22сравнения , двоичные умножители 2326, триггеры 27 -29, инвертор 30,переключатели 31 - 34, содержащиеэлементы И 35 - 42, и элементыИЛИ 43 - 46, шифратор 47, ключи 4854.Устройство работает в двух режи"мах.Первый режим - осреднение ортогональных составляющих вектора ветрав течение периода осреднения Т . Пооокончании периода осреднения начинается второй режим работы устройства - преобразование полученныхортогональных составляющих вектораосетра в полярные координаты, т.е.определение модуля вектора и аргумента,В основу первого режима работыположен способ, основанный на зависимости между направлением ветраи положением свободно ориентирующейся флюгарки, скоростью потока искоростью вращения ветроприемника,с представлением измеряемых величинв виде серий электрических импульсов напряжения, по которому определяют синус и косинус Фазового сдвига между сериями основной и опорнойпоследовательности импульсов закаждый период основной последовательности, Измеренные значения сину"сов,:и косинусов фазовых сдвиговсуммируются в счетчиках в течейиепериода осреднения, Полученные значения прямо пропорциональны ортогональньвл составляющим.вектора ветра: Х и У, Этот же способ положен и воснову работы прототипа,Во втором режиме работы изменяет, ся дискретно значение угла с(., причем начинается изменение для составляющей Х со значения Щ=90 а длясоставляющей У - с а=Оф, т.е.Х = А 4 в 1 пс(;, = Р в 1 п 90У =.А совс( = А 1 сов 0ЯПри этом в начальный момент А -- Х;Р щ У. Эатем, если А ) А , то при- ращение получает о, при этом значение А увеличивается (Х = Сочв).Как только становится А А 4, приращение получает Д, и значение Аувеличивается. И так далее, до мо мента4 л = О(а = с,при этом автоматически выполняетсяусловиеА =Р =Ргде А - модуль вектора.Рассмотрим назначение элементовустройства.Датчик 1 вырабатывает две им"пульсные последовательности с час:тотой следования импульсов, пропорциональной скорости ветра, сдвинутые по фазе на угол, пропорциональный направлению ветра с(,. Фазометр 2 служит для получения значения Фазо- вого 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 Та.СФП 3 служит для преобразования кода фазы, поступающего на еговход с выхода фазометра 2 (или с выхода счетчика 18 Фазы), в число-импульсные20 9, останавливая его, чтосоответствует моменту получения результата, Схема 22 сравнения выдает на выходесигнал ф 1 фф, если число в счетчике ) 10 больше числа в счетчике 11, и сиг: нал 0, если число в счетчике 10меньше числа в счетчике 11. Двойчные умножители 23 - 26 выдают иа своем выходе число импульсов, пропорциональное произведению кодов чисел ЗО поступающих на вход каждого двоичного умножителя с выходов.счетчикой, Шифратор 47 предназначен для учета номера квадранта.Устройство работает следующжм 35 образом 40 45 50 55 60 65 5015 коды синуса. КФП 4 служит для преобразования кода фазы, поступающего на его вход с выхода фазометра 2 (нли с выхода счетчика 19 Фазы), в число-импульсные коды косинуса. Делители 5 - 8 могут быть выполнены в виде двоичных счетчиков, емкость которых равна требуемые коэффициентам (постоянным для данного устройства) деления.Счетчики 10 и 11 ортогональннх составляющих предназначены для хранения ортогональных составляющих вектора ветра Х и У, причем знаковые выходы этих счетчиков связаны с входами шифратора 47. Схема 21 срав" нения выдает сигнал в момент равенства чиселв счетчиках 18 и 19 фазы, этот сигнал поступает на сто-повый вход стартстопного генератора Перед началом. работы подается команда Начальная Установкафф (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 1 б и 17 и счетчиков 18 и 19 Фазы. В счетчик 16 устанавливается код вЫ 90 ,в счетчик 17 - код сов Оф, в счетчик 18 - код 90 , а в счетчик 19 - код 0 , Триггеры 27 - 29 устанавливаются в нулевое состояние, Снятием команды Начальная установкафф запускается генератор 9. С этого момента свыхода фазометра 2 поступают кодыфазовых сдвигов последовательностей с датчика 1 ветра, причем эти значе-ния обновляются к моменту окончаниякаждого периода основной.последова"тельности импульсов с датчика 1 вет.ра. Сигналы с выхода фазометра 2 через переключатель 31 поступают на вход СФП 3, а через переключатель32 - на вход КФП 4. По каждому поступающему на его вход Фазовому сдвигу СФП 3 Формирует последовательность, соответствующую синусу фазового сдвига, а КФП 4 - косинусу Фазового сдвига. Сигналы с выходаСФП 3 через делитель 5 и переключа 9932825 30 5 20 25 30 35 40 45 50 55 65 тель 33 поступают на вход счетчика10, а с выхода КФП 4 через делитель6 и переключатель 34 - на вход счет-чика 11, Суммирование в счетчиках 10и 11 продолжается в течение периодаосреднения То, который определяетсякоэффициентом деления делителя 7,Импульс с выхода делителя 7 поступает на вход триггера 27 и устанавливает его в 1. Это соответствует моменту окончания первого ре"жима и начала второго режима работы. Установка в1 фтриггера 27запрещает прохождение сигнала через элементы И 35 и 42 и разрешает прохождение сигнала через элементы И 36 и 41, Без потери общности 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 90 о по цепи Б, поэтому при поступлении импульсов на его вход СФП 3 на первый импульс входа сформирует на выходе код Ь 4 = ( з 1 п 91 о - я 1 п 90 о), на второй Ьо = ) з 1 п 92 - з 1 п 91 ), на третий ДЬ =)я 1 п 93 о - в 1 п 92 ои т,д, Импульсы с выхода ключа 52 поступают также на вычитаюций вход счетчика 18 фазы, уменьшаяпоследовательно на единицу начальную установку этого счетчика равную 90 ф . 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 ф = = 89 , в счетчике 16 (импульсы с выхода СФП 3 через ключ 48) остается код (начальная установка счетчика 16 равна в 1 п 90 о) в 1 п 90 - Ь= = в 1 п 90 - ) з 1 п 91 о - в 1 п 90 о 1, а так как ) в 1 п 91 о- з 1 п 90 о = в 1 п 90 ов 1 п 89 о, то в 1 п 90 о- ) в 1 п 91 о - я 1 п 90 о) = в 1 п 90 о- ) в 1 п 90 ф- я 1 п 8 Ф)= = в 1 п 89 о. После второго импульса с выхода делителя 8 в счетчике 18 остается код 89 - 1 = 88 ф, в счетчио оке 16 остается код в 1 п 88; и т,д.Итак, после каждого импульса на входе СФП 3 на вход вычитающего счетчика 16 поступают соответствую" цие импульсные приращения, Эти же импульсы поступают на вход счетчика 12, Если при поступлении несколь" ких импульсов на вход счетчика 12 на выходе двоичного умножителя 23 появится импульс, то этим импульсом триггер 28 будет установлен в ф 1, давая разрешение на прохождение импульсов с выхода генератора 9 через ключ 50 на вход суммирующегосчетчика 14 и через переключательЗЗ на суммирующий вход счетчика 10.Заполнение импульсами счетчика 14продолжается до появления импульсана выходе двоичного умножителя 24,который устанавливает триггер 28 вфОф, тем самым запрещается прохождение импульсов генератора 9 через ключ 50. Описанный выше процессидет до тех пор, пока число в счетчике 10 не станет больше числа всчетчике 11. В этом случае схема 22сравнения формирует на выходе сигнал ф 1 ф, прохождение импульсов свыхода делителя 8 через ключ 52запрещается, а через ключ 53 разрешается, Импульсы с выхода элементаИ 53 поступают на суммирующий входсчетчика 19 фазы, в счетчик 20, атакже на вход КФП 4,По каждому импульсу на входеКФП 4 с его выхода формируется кодприращения косинуса, т.е. при поступлении первого импульса с выходаКПФ 4 поступает код Ь.) = соз 1второго " Д= Д,)- соя 2 = сов 1о( осов 2, третьего "Ь = Ьд - сов,3= соя 2 о- сов Зо, Таким образом,устанавливается соответствие междукодом 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;11 - 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 Оф, 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 останавливающий его. Измерение закончено. Направление ветра зафиксировано в счетчике 20, а осредненная скорость - в счетчике 11 (или 10, так как числа в этих счетчиках одинаковы),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 преобразователя,через первый ключ соединен с входами первого суммирующего и первого вы" читающего счетчиков, выход косинус- ного преобразователя через второй ключ соединен с входами второго сум-.1525 30 35 4045 50 55 дом шестого ключа,источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2966943/18-24,кл. О 06 6 7/22, 01.08,80.2. Авторское свидетельство СССР9 614382, кл. С 01 Р 5/06, 197865 (прототип). мирующего и второго вычитающегосчетчиков, выход стартстопного генератора соединен с входом третьегоделителя, через третий ключ с входом четвертого делителя, через чет" вертый ключ с входом третьего суммирующего счетчика и с вторым входом третьего переключателя, через пятый ключ с входом четвертого суммирующе го 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 ключс входом второго счетчика фазы и свторым входом второго переключателя,выходы счетчиков Фазы подключены ксоответствующим входам второй схевесравнения, выход которой соединен с входом стартстопного генератора, выходы первого суммирующего счетчикЬ и счетчика первой ортогональной составляющей подключены к соответст- вующим входам первого двоичного умно" жителя, выходы второго суммирующего счетчика и счетчика второй ортого- нальной составляющей подключейы к соответствующим входам второго двоичного умножителя, выходы первого вычитающего и третьего суммирующего 1 счетчиков подключены к сортветствую" щим входам третьего двоичного умнб жителя, выходы второго Вычитающего и четвертого суммирующего счетчиков. подключены к соответствующим входф 4 четвертого двоичного умножителя, выход третьего делителя соединен с входом первого триггера, первый вы ход которого соединен с йервыми уйравляющими входами перзого, второго, третьего и четвертого переключателей, вторые управляющие входы которых соединены с вторый 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" рого триггера, выход которого соедк. нен 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 вхо/5 Патент, г, Ужгород, ул. Проектна илиа Заказ 481/б 7 Тираж 704 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РаушсПодписноеомитета СССРоткрытийя наб д, 4