Управляемый сглаживающий фильтр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3 Н 2 Й ОБ ЕТЕН ПИСАН ф фУ-фЯф 4 НьИ МАГМАс Н АВТОРСК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬ(71) Сибирский ордена ТрудовогоКрасного Знамени металлургическийинститут им, Серго Орджоникидзе,Всесоюзный научно-исследовательскийинститут металлургической теплотехники, Магнитогорский металлургическийкомбйнат и Нижнетагильский металлургический комбинат(56) 1. Авторское свидетельство СССРР 884082, кл. Н 03 Н 21/00, 1979.2. Авторское свидетельство СССРР 959268, кл. Н 03 Н 21/00, 1980(54)(57) УПРАВЛЯЕМЫЙ СГЛАЖИВАЮЩИЙФИЛЬТР, содержащий последовательносоединенные первый блок сравнения,первый вход которого является первым входом устройства, первый ограничитель и первый интегратор выходкоторого подключен к второму входупервого блока сравнения, выход которого подключен через первый детектор знака к входу первого элемента задержки и к первому входу первого блока умножения, второй входкоторого соединен с выходом первогоэлемента задержки, последовательносоединенные второй блок сравнения,первый вход которого является вторым входом устройства, второй ограничитель и второй интеграторувыход которого подключен к второмувходу второго блока сравнения, выход которого подключен через второйдетектор знака к входу второгоэлемента задержки и к первому входу второго блока умножения, второйвход которого соединен с выходом сИ 1061250 А второго элемента задержки, последовательно соединенные третий блок сравнения и третий интегратор, выход которого подключен к первому входу третьего блока сравнения, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого масштабирующего блока, а второй вход - к выходу первого задатчика, второй суыаатор, первый вход которого подключен к выходу второго масштабирую .щего блока, а второй вход - к выходу второго задатчика третий сумматор, первый вход которого подключен к выходу третьего масштабирующего блока, а второй вход - к выхоФ ду третьего задатчика, четвертый Е сумматор, первый вход которого подключен к выходу четвертого масштабирующего блока, а второй вход - к выходу четвертого задатчика, а также пятый сумматор и пятый масштабирующий блок, о т л и ч а ю щ и й- Я :с я тем, что, с целью повышения точности фильтрации, введены последовательно,соединение первый блок задержки и первый весовой блок, включенные между выходом первого блока умножения и входами пятого сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего блока сравнения, последовательно соединенные пятйй задатчик и четвертый блок срав иения, другой вход которого подклю- . чен к выходу третьего интегратора, а выход - к входу пятого масштабирующего блока, Шестой масштабирующий блок, включенный между выходом четвертого блока сравнения и третьим входом второго сумматора, седьмой масштабирующий блок, включенный между выходом второго сумматора и управляющим входом первого ограничителя, восвмой масштабирующий блок, включенный между .выходом первого сумматора, третий вход которого соединен с выходом пятого масштабирую1061250 5 10 щего блока, и управляющим входомпервого интегратора, последовательно включенные третий элемент задержки, пятый блок сравнения, другойвход которого объединей с входомтретьего элемента задержкитретийдетектор знака, четвертый элементзадержки, третий блок умножения,другой вход которого соединен с выходом третьего детектора знака, второй блок задержки, второй весовойблок, шестой сумматор, шестой блоксравнения к другому входу которогоподключен выход третьего интегратора, и седьмой блок сравнения,другой вход которого подключен квыходу шестого аадатчика, включен"ные между выходом первого интегра"тора и объединенными входами первого и второго масштабирукицих блоков, поспедовательно соединенныетретий блок задержки, третий весовой блок, седьмой сумматор, восьмойблок сравнения, четвертый интегра"тор, девятый блок сравнения. другойвход которого подключен к выходуседьмого задатчика, и девятый масштабирующий блок, включенные междувыходом второго блока умножения итретьим входом третьего сумматора,десятый масштабирующий блок, включенный между выходом девятого блокасравнения и третьим входом четвертого суьюатора, одиннадцатый масштабирующий блок, включенный междувыходом третьего сумматора и управляющим входом второго ограничителя, двенадцатый масштабирующийблок, включенный между выходом четвертого сумматора и управлянзцим входом второго интегратора, последова- .тельно соединенные пятый элемент задержки, десятый блок сравнения, другой вход которого объединен с входомпятого элемента задержки, четвертый 1Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию. и может быть использовано при создании автоматических систем управления йромышпенными объектами. Известен управляемый сглаживающий Фильтр, содержащий последователь" но включенные первый блок сравнения, ограничитель, первый интегратор, выход которого соединен с другим входом первого блока сравнения, последовательно включенные детектор знака, второй блок сравнения, втодетектор знака, шестой элемент за"держки, четвертый блок умножения,четвертый блок задержки, четвертыйвесовой блок, восьмой сумматор, одиннадцатый блок сравнения, пятый интегратор, выход которого подключенк другому входу одиннадцатого бло"ка сравнения, и двенадцатый блоксравнения, другой вход которого подключен к выходу восьмого задатчика, включенные между выходом втброго интегратора и объединеннымивходами третьего и четвертого масшта-.бирукщих блоков, последовательно .включенные перемножитель, пятый веСовой блок, девятый сумматор, три,надцатый блок сравнения, шестой интегратор, четырнадцатый блок сравнения, другой вход которого подключенк выходу девятого задатчика, пятыйблок умножения, другой вход которогоподключен к выходу третьего интегратора, и тринадцатый масштабирующийблок, включенные между соответствующими выходаьщ второго блока задержки и четвертым входом первогосумматора, четырнадцатый масштабирукщий блок, включенный между выходом пятого блока умножения и чет"вертым входом второго сумматора, последовательно соединенные шестой блокумножения и пятнадцатый масштабирующий блок, включенные между выходом пятого интегратора и четвертымвходом третьего сумматора, и шестнадцатый масштабирукций блок, включенный между выходом шестого блокаумножения и четвертым входом четвертого сумматора, при этом другойвход шестого блока умножения подключен к выходу тринадцатого блокасравнения, а вторые входы перемножителя подключены к соответствукщимвыходам четвертого блока задержки. 2 рой интегратр и квадратор, причемвход детектора знака подключен квыходу первого блока сравнения, выход второго интегратора соединен свторым входом второго блока сравнения, выход квадратора подключен кдополнительному входу ограничителя через последовательно соединенныепервый масштабирующИй блок и первый суьиатор и к дополнительномувходу первого интегратора через последовательно соединенные третий масштабирующий блок и второй суьвбатор,причем другой вход каждого из сум"маторов подключен к выходу соответствующего задатчика 1 1.Недостатком этого фильтра явля" ется низкая точность выделения составляющих многомерного сигнала из-за того, что не учитываются их сов.местные изменения.Наиболееблизким к предлагаемому по технической сущности является управляемый сглаживающий фильтр, сО- держащий последовательно включенные первый блок сравнения первый вход которого является первым входом устройства, первый ограничитель и первый интегратор, выход которого подключен к второму входу первого бло.ка сравнения, выход которого подключен через первый детектор знака к входу первого элемента задержки и к первому входу первого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого элемента задерж ки, последовательно соединенные второй блок сравнения, первый вход которого является вторым входом устройства, второй ограничитель и второй интегратор, выход которого подключен 25 к второму входу второго блока сравнения, выход которого подключен че . рез второй детектор знака к входу. второго элемента задержки и к первому входу второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, последовательно соединенные третий блок сравнения и третий интегратор, выход которого подключен к первому входу третьего блока сравнения, первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого масштабирующего блока, а второй вход - к выходу первого задатчика, второй сумматор, первый вход которо" 40 го подключен к выходу второго маса- табирующего блока, а второй вход - к. выходу второго задатчика, третий сумматор, первый вход которого подключен к выходу третьего масштаби рующего блока, а второй вход - к выходу третьего задатчика, четвертый сумматор, первый вход которого подключен к выходу четвертого масштабирующего блока, а второй вход - к выходу четвертого задатчика, а также пятый сумматор и пятый масытабирующий блок Г 2 1Недостатком этого управляемого . фильтРа является также низкая точ" ность выделения полезных составляющих многомерного сигнала из-за того, что поднастройка ограничителей уровней сигнала и интеграторов осуществляется только от ошибки фильтрации, свойства самих сглаженных 60 полезных 1 сигналов не учитываются.Цель изобретения - повышение точности фильтрации.Поставленная цель достигается тем, что в управляемый сглаживаю щий фильтр, содержащий последовательно соединенные первый блок срав,нения, первый вход которого является первым входом устройства, первыйограничитель и первый интегратор,выход которого подключен к второ,му входу первого блока сравнения,выход которого подключен через первый детектор знака к входу первогоблока умножения, второй вход которогосоединен с выходом первого элементазадержки, последовательно соединенные второй блок сравнения, первыйвход которого является вторым входом устройства, второй ограничительи второй интегратор, выход которогоподключен к второму входу второгоблока сравнения, выход которого подключен через второй детектор знакак входу второго элемента задержки ик первому входу второго блока умножения, второй вход которого соединенс выходом второго элемента задержки,последовательно соединенные третийблок сравнения и третий интегратор,выход которого подключен к первомувходу третьего блока сравнения, первый сумматор, первый вход которогоподключен к выходу первого масштабирующего блока; а второй вход - квыходу первого задатчика, второйсумматор, первый вход которогоподключен к выходу второгомасштабирующего блока, а второй вход -к выходу второго задатчика, третийсумматор, первый вход которого подключен к выходу третьего маадтабирующего блока, а второй вход - к выходутретьего задатчика, четвертый сумматор, первый вход которого подключен к выходу четвертого масштабирующего блока, а второй вход - к выходу четвертого задатчика, а такжепятый сумматор и пятый масштабирующий блок, введены последовательно соединенные первый блок задержкии первый весовой блок, включенныемежду выходом первого блока умножения и входами пятого сумматора,выход котоРого соединен с вторымвходом третьего блока сравнения,последовательно соединенные пятыйзадатчик и четвертый блок сравнения, другой вход которого подключенк выходу третьего интегратора, а;выход - к входу пятого масштабирующего блока, шестой масштабирующийблок, включенный между выходом четвертого блока сравнения и третьимвходом второго сумматора, седьмоймасштабирующий блок, включенныймежду выходом второго сумматора иуправляющим входом первого ограничителя, восьмой масштабирующий блоквключенный между выходом первогосумматора, третий вход которого соединен с вйходом пятого мааатабирующего блока, и управляющим входомпервого интегратора, последователь 1061250но включенные третий элемент задержки, пятый блок сравнения, другойвход которого объединен с входомтретьего элемента задержки, третийдетектор знака четвертый элементзадержки, третий блок умножения, 5другой вход которого соединен с выходом третьего детектора знака, вто. рой блок задержки, второй весовойблок, шестой сумматор, шестой блоксравнения, к другому входу которогоподключен выход третьего интегратора и седьмой блок сравнения, другойвход которого подключен к выходу шес.того задатчика, включенные между выходом первого интегратора и объединенными входами первого и второгомасштабирующих блоков, последовательно соединенные третий блок задержки, третий весовой блок, седьмойсумматор, восьмой блок сравнения,четвертый интегратор, девятый блок 20сравнения, другой вход которого подключен к выходу седьмого задатчика,и девятый масштабирующий блок, включенные между выходом второго блокаумножения и третьим входом третьего 25сумматора, десятый масштабирующийблок, включенный между выходом девятого блока сравнения и третьим входомчетвертого сумматора, одиннадцатыймасштабирующий блок, включенный 30между выходом третьего сумматора иуправляющим входом второго ограничителя, двенадцатый масштабирующийблок, включенный между выходом четвертого сумкатора и управляющимвходом второго интегратора, последовательно соединенные пятый элементзадержки, десятый блок сравнения,другой вход которого объединен свходом пятого элемента задержки,четвертый детектор знака, шестой 40элемент задержки, четвертый блокумножения, четвертый блок задержки, четвертый весовой блок, восвмой сумматор, одиннадцатый блоксравнения, пятый интегратор, выход 45котораго подключен к другому входуодиннадцатого блока сравнения, идвенадцатый блок сравнения другойвход которого подключен к выходувосьмого эадатчика, включенные между выходом второго интегратора иобъединенными входами третьего ичетвертого маацтабирукщих блоков,последовательно включенные перемножитель, пятый весовой блок,девятый суюетор, тринадцатый блоксравнения, шестой интегратор, четырнадцатый блок сравнения, другойвход которого подключен к выходудевятого задатчика, пятый блокумножения, другой вход которого подключен к выходу третьего интегратора, и тринадцатый масштабирующийблок, включенные между соответствующими выходами второго блока эадерж"ки и четвертым входом первого сум матора, четырнадцатый масштабируюший блок, вклюЧенный между выходом пятого блока умножения и четвертым входом второго сумматора, последовательно соединенные шестой блок умножения и пятнадцатый масштабирующий блок, включенные между выходом пятого интегратора и четвертым входом третьего сумматора, и шестнадцатый масштабирующий блок, включенный между выходом шестого блока умножения и четвертым входом четвертого сумматора, при этом другой вход шестого блока умножения подключен к выходу тринадцатого блока сравнения, а вторые входы перемножителя подключены к соответствующим выходам четвертого блока задержки.На чертеже представлена структурная электрическая схема управляемого сглаживающего фильтра для двух сигналов.Управляемый сглаживающий фильтр содержит последовательно соединенные первый блок 1 сравнения, первый ограничитель 2, первый интегратор 3, к выходу первого блока 1 сравнения подключены последовательно соединенные первый детектор 4 знака, первый элемент 5 задержки, первый блок 6 умножения, первый блок 7 задержки, первый весовой блок 8, пятый сумматор 9, третий блок 10 сравнения, третий интегратор 11, четвертый блок 12 сравнения с пятым задатчиком 13. Выход четвертого блока 12 сравнения подключен через пятый масштабирующий блок 14 к входу первого сумматора 15 с первым задатчиком 16 и через шестой масштабирующий блок 17 к входу второго сумматора 18 с вторым эадатчкком 19. Выход первого сумматора 15 через восьмой масштабирующнй блок 20 подключен к управляющему входу первого интегратора 3, выход второго сумматора 18 через седьмой масштабирующий блок ,21 подключен к управляющему входу первого ограничителя 2. фильтр также содержит последовательно соединенный второй блок 22 сравнения, второй ограничитель 23, второй интегратор 24, к выходу второго блока 22 сравнения подключены последовательно второй детектор 25 знака, второй элемент 26 задержки, второй блок 27 умножения, третий блок 28 задержки, третий весовой блок 29, седьмой сумматор 30, восьмой блок 31 сравнения, четвертый интегратор 32, девятый блок 33 сравнения с седь мам эадатчиком 34. Выход девятого блока:33 сравнения через девятый мааатабирующий блок 35 подключен к входу третьего сумматора 36 с третьим задатчиком 37 и через десятый масштабирующий блок 38 к входу четвертого сумматора 39 с четвертым задатчиком 40. Выход третьего сумматоПервый входной сигнал ч поступает на вход первого блока 1 сравнения, где из него вычитается сглаженное значение э(С), и получаемая раэвостья(с) подается на вход первого ограйичителя 2 сигнала и первого детектор 4 знака. Если Е,(с) превышает велйчину ограничивающего напряжения .ф(с) первого ограничителя 2, то в нем происходит ограни чение сигнала Е (ц до величины Р(Счто можно представить выражением 15 Е (с): первого сумматора через первый мааатабирующий блок 55, с входам второгосумматора 18 через второй масштабирующий блок 56, Выход третьего интегратора 52 соединен с входомпятого блока 57 умножения, выходкоторого подключен к входу первогосумматора 15 через тринадцатый масш,табирукиций блок 58 и к входу второгосумматора 18 через четырнадцатыймасштабирующий блок 59. К выходувторого интегратора 24 подключеныпоследовательно пятый элемент 60задержки, десятый блок 61 сравнения,четвертый детектор 62 знака, шестойэлемент 63 задержки, четвертыйблок 64 умножения, четвертый блок65 задержки, четвертый весовой блок 3566, восьмой сумматор 67 однннадца"тый блок 68 сравнения, пятый интегратор 69, двенадцатый, блок 70 сравнения с восьмым задатчиком 71, Выходдвенадцатого блбка 70 срыченвя 40соединен с входом третьего сумматора 36 через третий масштабирующийблок 72 и с входом четвертого сумматора 39 через четвертый масштабирующий блок 73. Выход пятого интегратора 69 подключен к входу шестого блока 74 умножения, выход которого через пятнадцатый масштабирующий блок 75 подключен к входутретьего сумматора 36 и через масштабирующий блок 76 к входу четвер" 50того сумматора 39. Кроме того, выходывторого и четвертого блоков 48 и 65задержки подключены к входам перемвожителя 77, к выходам которого подключены последовательно пятый ве", 55совой блок, 78, девятый сумматор 79,тринадцатый блок 80 сравнения, шестой интегратор 81 и четырнадцатыйблок 82 сравнения с девятым задатчиком 83, а выход четырнадцатогоблока 82 сравнения соединен с другиии входами пятого и шестого бло-,ков 57 и 74 умножения.Управляемый сглаживающий Фильтрработает следукщим образом,ра 36 соединен через одиннадцатый.масштабирующий блок 41 с управляю"щим входом второго ограничителя 23.выход четвертого сумматора 39 соединен через двенадцатый масштабирующий блок 42 с управляющим входомвторого интегратора 24. Кроме того,к выходу первого интегратора 3 подключен последовательно третий элемент 43 задержки, пятый блок 44сравнения, третий детектор 45 знака, четвертый элемент 46 задержки,третий блок 47 умножения, второйблок 48 задержки, второй весовой блок49, шестой сумматор 50, шестой блок51 сравнения, третий интегратор 52,седьмой блок 53 сравнения с шестымэадатчиком 54. Выход седьмого блока 53 сравнения соединен с входом Р И) при е(с)р(с) (с) дри -р (с)(е (с)(с) -р,(с) Юи И)4-й(ф) где ЪВ(С) - выходной сигнал первого ограничителя 2.Ограничитель 2 может быть реализован, например, с помощью операционного усилителя в режиме насыщения. Сигнал Р(С) с выхода первого ограничителя 2 поступает на вход пер-, вого интегратора 3, выполненного, например, с помощью операционного усилителя с емкостнОй отрицательной обратной связью. На выходе первого интегратора 3 получается по- лезная составляющая з(с) первого сигнала, которая и поступает на первый выход устройства.Второй вхбдной сигнал У 2(С) поступает на вход второго блока 22 сравнения, с помощью этого блока, второго ограничителя 23 и второго интегратора 24 преобразуется таким же образом, что и первый входной сигнал. В результате на выходе вто.рого интегратора 24 получается полезная составляющая М (С) второго сигнала, которая поступает ва второй выход устройства.Остальные блоки управляемого Фильтра предназначены для взаимосвязанной адаптации наличия ограничивающего напряжения р ограничителей 2 и 23 и постоянных времени интегрирования Т интеграторов 3 и 24. Адаптация этих величин производится в зависимости от показателей, характеризующих отклонение измеренного сигнала от его сглажен-, ного значения (точвоствые показатели )у свойства одного сглаженного сигнала показатели плавности ); взаимосвязь сглаженных значений нескольких сигналов.Показатели, характеризующие свой ства одного сигнала, используются для адаптации р и Т, в ограничителе и интеграторе, находящихся в линии выделения полезной составляющей только этого сигнала. Показате- . ли же, характеризующие взаимосвязьгдеКв, К, К - коэ.ффициентымасштабирующихблоков, сортветственноседьмого 21,шестого 17,второго 56 ичетырнадцато"го 59;1 выходной сигнал второгозадатчика 19.В формуле ),12) производится скаляризация трех показателей, В за висимости от величины коэффициентов,Кэ, К., придается больший вескакому-либо йоказателю и, тем самым,задаются свойства сглаженного сигнала,ъЮ.Для реализации формулы (12) вовтором сумматоре 18 суммируютсясигналы с выходов второго задатчика 19, шестого, второго и четырнадцатого мааатабирукщих блоков 17,56 и 59. Выходной сигнал второгосумматора 18 умножается в седьмоммасштабирующем блоке 21 на коэффициент фи поступает на управляющийвход первого ограничителя 2, задаваявеличину его ограничивающего напряжения,Аналогично адаптируется величина ограничивающего напряжения р 2второго ограничителя 23. Для этихцелей используются третий сумматор 36, третий:.задатчик 37, девятыйтретий, пятнадцатый и одинйадцатыймасмтабирующие блоки 35, 72, 75 и 41.Адаптация постоянной времени интегрирования первого интегратора 3осуществляется по выражениюТ (ц-т )-К м -К аг (ц-к дг (С)Где Т+, К, К 9, Кг - коэФфициентмасштабирую Ыщих блоков,соответственно восьмого20, пятого14, первого10 55 и тринадцатого 58;1 выходной сиг"нал первогоэадатчика 16.15 Для реализации Формулы (13) впервом сумматоре 15 алгебраическисуммируются сигналы с выходов перво"го задатчика 16, пятого, первогои тринадцатого масштабирующих блоков14, 55 и 58. Выходной сигнал первогосумматора 15 умножается в восьмоммасштабирующем блоке 20 на коэффи-циент Т+ и поступает на управляющий вход 1 первого интегратора 3,задавая величину постоянной интегрирования.Аналогично адаптируется постоянная времени интегрирования Т вто 2рого интегратора 24Для этих целейиспользуются четвертый сумматор 39,3 О четвертый задатчик 40, десятый, шестнадцатый, четвертый и двенадцатыймасштабирующие блоки 38, 76, 73 и 4,2.Введение новых блоков и связей вуправляющий сглаживающий фильтр поз 35 валяют повысить точность выделенияполезных составляющих сигналов сзадаваемыми свойствами, что даетвозможность повысить качество управления промышленными объектами.,Редактор Л. Алексеенко Техред О.Неце Корректор А. Тяс Тира арст вен н обретени Ж, РФилиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Эаказ 10058/57 ВНИИПИ Госуд по делам и 113035, Москва