Управляемый фильтр

.П. Авдеев,енко,епаха бинирое систесистемах я. М.,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(71) Сибирский ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийинститут им. С. Орджоникидзе,Центральное проектно-конструкторскоебюро по системам автоматизациипроизводства и Научно-производственное объединение по системам автоматизированного управления(56) 1. Осмоловский П.Ф. Комванные измерительные следящимы. Теория инвариантности вавтоматического регулировани"Наука", 1964, с. 238-2462, Авторское свидетельство СССРпо заявке У 3355655/09,кл. Н 03 Н 21/00, 1981 (прототип).(54)(57) УПРАВЛЯЕМЫЙ ФИЛЬТР, содержащий первый фильтр низкой частоты, первый и второй блоки сравнения, первый сумматор, первый блоканализа, включающий третий блок сравнения, последовательно соединенныепервый детектор знака, первый блокзадержки и первый блок умножения,второй вход которого соединен с выходом первого детектора знака,последовательно включенные второйблок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор знака, третий блок задержки и второй блокумножения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора знака, последовательно включенные инвертор и второй сумматор,последовательно включенные пятыйблок сравнения и интегратор, выходкоторого соединен с первым входомпятого блока сравнения, первый входблока анализа соединен с входомвторого блока задержки, вторым входом четвертого блока сравнения и выходом первого фильтра низкой частоты, отличающийся тем,что, с целью повышения точности выделения полезного сигнала фильтром,в него введены второй фильтр низкой частоты, нелинейный блок,последовательно включенный третийфильтр низкой частоты, третийсумматор, третий блок умножения ичетвертый сумматор, последовательновключенные второй блок анализа, пятыйсумматор, первый блок деления ичетвертый блок умножения, последовательно включенные третий блок анализа и второй блок деления, последовательно включенные третий блокделения и пятый блок умножения,причем вход первого фильтра низкойчастоты соединен с входом управляемого фильтра, первым входом первогоблока сравнения и вторыми входамипервого, второго и третьего блокованализа, выход первого фильтра низкой частоты соединен с вторым входом четвертого блока умножения, первым входомпервого сумматора ичерез первый блок сравнения с входом второго фильтра низкой частотыи первым входом второго блока сравнения, выход второго фильтра низкой1149214 частоты подключен к второму входупервого сумматора и через второйблок сравнения к входу третьегофильтра низкой частоты, выход первого сумматора подключен к первомувходу второго блока анализа и квторым входам третьего сумматора ипятого блока умножения,выход третьего сумматора через третий блоканализа соединен с вторым входом пятого сумматора, третий вход которого связан с выходом первого блокаанализа и вторым входом первого блока деления, выход второго блокаанапиза подключен к первому входутретьего блока деления, выход пятого сумтматора соединен с вторымвходом третьего блока деления ичерез второй блок деления с вторымвходом третьего блока умножения,Изобретение относится к автоматике, а именно к фильтрации помехи, и может быть использовано для выделения нестационарной полезной низкочастотной составляющей измеренных сигналов на фоне сравнительно высокочастотных помех со сложными статическими свойствами и наличием зпизодических грубых выбросов.Известны нониусные следящие системы, содержащие, например, первый и второй фильтры низкой частоты, последователъно включенные первый, второй и третий блоки сравнения, третий фильтр низкой частоты и сумматор, второй и третий вход которо- Вго соединен с выходами соответственно первого и второго фильтров низкой частоты,. выходы фильтров низкой частоты подключены также к вторым входам соответствующих блоков сравнения,.Воспроизведение входной величины производится по методу последовательных приближений Я .Недостаток нониусных следящих систем при использовании их в качестве сглаживаюЩих фильтров " низкая точность выделения полезного сигнала из-за того, что не учитываются не 5 1 О 15 20 25 второй и третий входы четвертогосумматора соединены с выходамисоответственно пятого и четвертогоблоков умножения, выход четвертогосумматора подключен к выходу управляемого фильтра, второй вход блокованализа подключен к первому входутретьего блока сравнения, второйвход которого связан с первым входом блоков анализа, а выход - с входом первого детектора знака, выходпервого блока умножения соединен свходом инвертора, а выход второгосумматора - с вторым входом пятогоблока сравнения, выход второгоблока умножения соединен с вторымвходом второго сумматора, выход интегратора подключен через нелинейный блок к выходу блока анализа. стационарные свойства полезного сигнала и помехи.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сглаживающий фильтр, содержащий фильтр низкой частоты, включающий последовательно соединенные первый блок сравнения, ограничитель и первый интегратор, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения, блок анализа, включающий первый масштабирующий блок, первый и второй задатчики, последовательно включенные второй масштабирующий блок и первый инвертор, последовательно включенные первый детектор знака, первый блок задержки, первый блок умножения, второй блок сравнения, второй интегратор, третий блок сравнения, третий масштабирующий блок, второй инвертор и первый сумматор, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор зна" ка, третий блок задержки, второй блок умножения, пятый блок сравне.ния, третий интегратор, шестой блок сравнения, четвертый масштабирующий блок и второй сумматор, причем выходы первого и второго задатчиковподключены к вторым входам соответственно третьего и шестого блоковсравнения, выходы второго и третьего интеграторов подключены квторым входам соответственно второго и пятого блоков сравнения, выходы первого и второго детекторовзнака подключены к вторым входамсоответственно первого и второгоблоков умножения, выход третьегоблока сравнения соединен через первый масштабирующий блок с вторымвходом второго сумматора, выход которого подключен к дополнительномувходу ограничителя, выход шестогоблока сравнения соединен с входомвторого масштабирующего блока, выходпервого инвертора подключен черезпервый сумматор к дополнительномувходу первого интегратора, выход первого блока сравнения соединен с входом первого детектора знака, выходпервого интегратора - с входом второго блока задержки, вторым входом.четвертого блока сравнения и выходом сглаживающего Фильтра, вход которого подключен к второму входупервого блока сравнения,В сглаживающем фильтре входнойсигнал поступает на первый блоксравнения, где из него вычитаетсявыходной сигнал первого интеграторао сглаженном значении входного сигнала. Сигнал о полученной разностиограничивается ограничителем и подается на вход первого интегратора.Остальные блоки сглаживающегофильтра предназначены для адаптации зоны ограничения ограничителяи постоянной времени интегрированияпервого интегратора. Адаптацияпроизводится по двум показателям:по отклонению регистрируемого сигнала от его сглаженного значения ипо скорости изменения оценки полезного (сглаженного) сигнала. Дляпервого и второго показателей определяются аналоги знаковых автокорреляционных моментов, оцениваются их отклонения от желаемых значений и корректировки зоны ограничения и постоянной интегрированиярассчитываются пропорциональноэтим отклонениям 21,Недостатком сглаживающего фильтра является низкая точность выделе-ния полезного сигнала вследствие 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сравнительно медленной адаптации параметров сглаживающего фильтраЦель изобретения - повышение точности выделения полезного сигнала.Поставленная цель достигается тем, что в управляемый фильтр, содержащий первый фильтр низкой частоты, первый и второй блоки сравнения, первый сумматор, первый блок анализа, включающий третий блок сравнения, последовательно соединенные первый детектор знака, пер-вый блок задержки и первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого детектора знака, последовательно включенные второй блок задержки, четвертый блок сравнения, второй детектор знака, третий блок задержки и второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора знака, последовательно включенные инвертор и второй сумматор, последовательнО включенные пятый блок сравнения и интегратор, выход которого соединен с первым входом пятого блока сравнения, первый вход блока анализа соединен с входом второго блока задержки, вторым входом четвертого блока сравнения и выходом первого фильтра низкой частоты, введены второй фильтр низкой частоты, нелинейный блок, последовательно включенные третий Фильтр низкой частоты, третий сумматор, третий блок умножения и четвертый сумматор, последовательно включенные второй блок анализа, пятый сумматор, первый блок деления и четвертый блок умножения, последовательно включенные третий блок анализа и второй блок деления, последовательно включенные третий блок деления и пятый блок умножения, причем вход управляемого фильтра соединен с входом первого Фильтра низкой частоты, первым входом первого блока сравнения и вторыми входами первого, второго и третьего блоков анализа, выход первого фильтра низкой частоты соединен с вторым входом четвертого блока умножения, первым входом первого сумматора и через первый блок сравнения с входом второго фильтра низкой частоты и первым входом второго блока сравнения, выход второго фильтра низкой частоты под 1149214ключен к второму входу первого сумматора и через второй блок сравнения к входу третьего фильтра низкой частоты, выход первого сумматора подключен к первому входу второго 5 блока. анализа и к вторым входам третьего сумматора и пятого блока умножения, выход третьего сумматора через третий блок анализа соединен с вторым входом пятого сумма тора третий вход которого связан с выходом первого блока анализа и вторым входом первого блока деления, выход второго блока анализа подключен к первому входу третьего 15 блока деления, выход пятого сумма" тора соединен с вторым входом третьего блока деления и через второй блок деления с вторым входом третьего блока умножения, второй 20 и третий входы четвертого сумматора соединены с выходами соответственно пятого и четвертого блоков умножения, выход четвертого сумматора подключен к выходу управляемого Фильт ра, второй вход блоков анализа подключен к первому входу третьего блока сравнения, второй вход которого связан с первым входом блоков анализа, а выход - с входом первого З 0 детектора знака, выход первого блока умножения соединен с входом инвертора, а выход второго сумматора - с вторым входом пятого блока сравнения, выход второго блока умножения соединен с вторым входом второго сумматора, выход интегратора подключен через нелинейный блок к выходу блока анализа.На Фиг.1 представлена блок-схема управляемого фильтра, где х(й)входной сигнал управляемого фильтра, х(с) - выходной (полезный,сглаженный) сигнал, на фиг,2 блок-схема блоков анализа. 45Управляемый Фильтр содержитпервый фильтр 1 низкой частоты,включающий последовательно соединенные блок сравнения, ограничитель ввиде, усилителя с насыщением и интегратор,выход которого подключенк входу блока сравнения, первыйблок 2 сравнения, второй фильтр 3низкой частоты, имеющий такую жеструктуру как и первый фильтр 1 55низкой частоты, второй блок 4 срав"нения, третий фильтр 5 низкой частоты, имеющий такую же структуру,как и предыдущие два фильтра, первый 6 и третий 7 сумматоры, третий 8, пятый 9 и четвертый 10 блоки умножения, четвертый сумматор 11, первый 12, второй 13 и третий 14 блоки анализа;,пятый сумматор 15, второй 16, третий 17 и первый 18 блоки деления, третий блок 19 сравнения, первый детектор 20 знака, первый блок 21 задержки, первый блок 22 умножения, инвертор 23, второй блок 24 задержки, четвертый блок 25 сравнения, второй детектор 26 знака, третий блок 27 задержки, второй блок 28 умножения, второй сумматор 29, пятый блок 30 сравнения, интегратор 31 и нелинейный блок 32, реализующий кусочно-линейную зависимость.Управляемый фильтр работает следующим образом.Входной сигнал Фильтра х поступает на первый Фильтр 1 низкой частоты, в котором выделяется низкочастотная составляющая сигнала х . Сигнал хвычитается в первом блоке 2 сравнения из сигнала х(е), поступающего с входа уп- . равляемого фильтра. Сигнал о полученной разностил х.(е) х - х (е) (1)поступает на второй фильтр 3 низкой частоты. Настройки второго фильтра 3 низкой частоты выбираются таким образом; чтобы его инерционность была в 1,5-2 раза меньше инерционности первого Фильтра 1 низкой частоты. Выходной сигнал второго фильтра 3 низкой частоты Ьхалгебраически суммируется в первом сумматоре 6 с выходным сигналом первого фильтра 1 низкой частоты. На выходе первого сумматора 6 получается сигналх (с) = х+ ь х(2)о сглаженном на втором уровне входном сигнале х(Т). Сигнал х (е) содержит более высокочастотные соситавляющие, чем сигнал хс первого уровня,Аналогично получается сглаженный сигнал х (С) на третьем уровне.Для этого выходной сигнал второго фильтра 3 низкой частоты вычитается во втором блоке 4 сравнения из выходного сигнала первого блока 2 сравнения. Сигнал о полученной разностихи(с) сглаживается в третьем фильтре 5 низкой частоты, инерционность которого в 1,5-2 разаменьше инерционности второго фильтра 3 низ кой частоты, и алгебраически суммируется в третьем сумматоре 7 с выходным сигналом первого сумматора б.(3)и,где Ь х (С) - выходной сигнал третьего фильтра 5 низкой частоты, 15 содержт еще более высокочастотные составляющие, чем сигнал х (С).лСглаженные сигналы х (с), х (С) и лх (с) с трех уровней умножаются соответственно в четвертом 10, пятом 20 9 и третьем 8, блоках умножения на сигналы об адаптируемых весовых коэффициентах 1 с 1(С), 1 сп (С) и 1 Р(С) и алгебраически суммируются в четвертом сумматоре 11, на выходе ко торого получается сигнал Показатель Я имеет следующие свойства: если имеет место систематическое отклонение х (с) от х(с) положительной или отрица тельной величины, то Е (С). стремится к "+1", если систематическое отклонение отсутствует, то Г, (с) Весовые коэффициенты 1 с адаптируются в зависимости от свойств отклонений входного сигнала х(с) отего сглаженных значений на каждомуровне и от свойств самих сглаженныхсигналов; С этой целью входной сигнал х(С) и сигналы х (С), х П (С), З 5х(с) поступают на первый 12,второй 13 и третий 14 блоки анализа, имеющие одинаковую структуру(5) 45Щ=охф-хЯ ох Н-)-х(-,лгде о - интервал времени задержки,выбираемый в каждом конкретном случае прн практической настройкефильтра.50 стремится к "-1". Желаемым значени-ем показателя Г(с) является "-1".Для реализации выражения (5) в третьем блоке 19 сравнения из сигнала х(С), поступающего со второго входа первого блока 12 анализа,лвычитается сигнал х (с), поступающий с первого входа блока 12 анализа. Сигчал о полученной разности обрабатывается в первом детекторе 20 знака с законом функционирования1 приЕ 0выкф =КьлЬ) = " (б)8 к-где с Ньц (с) и Я 8(с) - соответственно выходной и входной сигналыдетектора знака.С выхода первого детектора 20знака сигнал поступает на первыйблок 22 умножения, где умножаетсяна свое же значение, задержанноев первом блоке 21 задержки на интерлвал времени ,Показатель, характеризующий свойства полезного сигнала, а именноего гладкость, определяется, например, в первом блоке 12 анализа повыражениюяЮ.-ьф (ц. . 4 в( Ь ). ( 2 ц,Показатель Е (С) так же, как иГ,(с), стремится либо к "+1, либок "-1". Однако желаемым значениемпоказателя Я (с) является "+1",т.е. требуется, чтобы сигнал х (С)был гладким, а значит, и приращенияего на соседних участках были одногознака. Для реализации выражения(7) сигнал о х(с). с первого входаблока 12 анализа задерживается вовтором блоке 24 задержки на интерлвал времени , Затем выходной сиг-;,нал второго блока 24 задержки вычитается в четвертом блоке 25 сравнения из сигнала х(с) Выходной сигнал четвертого блока 25 сравненияобрабатывается с помощью второгодетектора 26 знака, третьего блока27 задержки и второго блока 28,умножения так же,.как и сигнал свыхода третьего блока 19 сравнения.Показатели Г,(С) и Я(С) алгебраически суммируются Предварительно сигнал о , (С),инвертируетсяинвертором 23. Это обусловленотем, что показатели с,(с) и Е (с)имеют разные желаемые значения. Вы"ходной сигнал ннвертора 23 посту 1149214 10пает на вход второго сумматора 29;где суммируется с выходным сигналомвторого блока 28 умножения. Полученный сигнал с выхода второго сумматора 29 подается на пятый блок 530 сравнения,.в котором иэ него вычитается выходной сигнал интегратора31, н сигнал о полученной разностиидет на вход интегратора 31 навыходе которого получается сигнало сглаженном значениисуммыпоказателей , (С) и (й). Зтотсигнал поступает на нелинейныйблок 32, в котором реализуется кусочно-линейная зависимость, аппроксимирующая показательную Функцию, например, вида АЖ где А - положительное число. На выходе нелинейного блока 32 получается сигнал,который всегда имеет положитель 20ную величину,Весовой коэффициент Е И) рассчитывается по выражению где Г (е), п(й) и Егп(Е) - выходные си. налы соответственно первого 12, второго 13 и третьего 14 блоков анализа.Для этого выходные сигналы блоков анализа суммируются в пятом сумматоре 15, сигнал с выхода которого подается на вход первого блока 18 деления, в котором производится операция деления выходного сигнала Е (С)1 первого блока 12 анализа на выходной сигнал пятого сумматора 15,Выходной сигнал первого блока 18деления о величине 1 (Т) подается навторой вход четвертого блока 10 умножения. Таким же образом определяются весовые коэффициентыи(1), для чего используются третийп17 и второй 16 блоки деления,В описанном управляемом фильтредано три уровня сглаживания. Поаналогии может быть построен управляемый фильтр и с большим числом уровней.Введение в управляемый фильтрнескольких уровней сглаживанияс разными динамическими свойствамипозволяет более оперативно отслеживать быстрые изменения полезногосигнала, например, импульсноподобного типа, что повышает точностьего выделения. Иэ результатов моделирования следует, что среднеквадратическое отклонение оценки полезного сигнала от его действительногозначения для предлагаемого управляемого Фильтра на 8-12% меньше,чем для известного Фильтра. Исполь- .зование управляемого Фильтра всистемах прогнозирующего управления ведет к увеличению точности регулирования на 0,5-1%, Зто в своюочередь дает, например, при регулировании теплового и шлакового режима доменной печи экономическийэффект порядка 150 тыс. руб. в годза счет уменыпения удельного расхода кокса на 0,3-0,5% и увеличения производительности печи на0,6-0,8%.