Сглаживающий фильтр

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3»5р И 03 Н 17/02 р> »и

13 . 13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ вЂ” !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3555085/18-09 (22) 16.02.83 (46) 23.04.84. Бюл. У 15 (72) В.П.Авдеев, Л.П.Мьш»пяев, А.А.Белостоцкий, А.А.Юртаев, А.Д.Сыромятников, С.Ф.Киселев и Е.Е.Володин (71) Сибирский ордена Трудового

Красного Знамени металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (53) 621.396.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 884082, кл, Н 03 Н 21/00, 1979, 2. Авторское свидетельство СССР

В 980065, кл. 6 05 В 5/01, 1981 (прототип). (54) (57) СГЛАЖИВАКМЦИЙ ФИЛЬТР, содержащий первый сумматор, последовательно .включенные первый фильтр низкой частоты и первый блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, диф- . ференциатор, детектор знака, два saдатчика, первый квадратор, последо, вательно включенные второй квадратор и второй блок сравнения, третий блок сравнения, причем вход первого фильтра низкой частоты соединен с входом сглаживающего фильтра и вторым входом первого блока сравнения, выход первого фильтра низкой частоты подключен к первому входу первого сумматора, выход которого является выходом сглаживающего фильтра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации, в него введены два нелинейных блока, третий фильтр низкой частоты, второй, третий и четвертый суммато- ры, три блока деления и три блока

„„SU„„1088099 А умножения, при этом первьп» нелинейный блок включен между выходом первого блока сравнения и входом второго фильтра низкой частоты, первый блок умножения включен между выходом второго фильтра низкой частоты и вторым входом первого сумматора, второй нелинейный блок, третий фильтр низкой частоты и второй блок умно:.:ения включены последовательно между выходом первого блока сравнения и третьим входом первого сумматора, первый квадратор, второй сумматор, пер-. вьп» блок деления, дифференцнатор, детектор знака, третий блок умножения, третий. блок сравнения и второй . М блок деления включены последовательно между выходом второго фильтра %ФУ низкой частоты и вторым входом первого блока умножения, третий суммаФа тор и третий блок деления включены последовательно между выходом третье- мь го блока умножения и вторым входом второго блока умножения, причем 00 вход второго квадратора подключен к 0. выходу третьего фильтра низкой частоты, выход — к второму входу второго сумматора и к второму входу второго блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход первого задатчика пбдключен к.второму входу третьего блока умножения и к первому входу четвертого сумматора, выход второго )Э эадатчика соединен с вторыми входами третьего сумматора, третьего блока сравнения и четвертого сумматора, выход которого подключен к вторым входам второго и третьего блоков деления.

1088099 2

Изобретение относится к автомати-. ческому регулированию и управлению и может быть использовано в общетехнических системах управления для выделения полезной низкочастотной составляющей измеренных сигналов.

Известен управляемый фильтр, содержащий последовательно. включенные первый блок сравнения, ограничитель уровня сигнала и первый интегратор, 10 последовательно включенные детектор знака, второй блок сравнения, второй интегратор, квацратор, первый масштабирующий блок и первый сумматор, последовательно включенные;второй масштабирующий блок и второй сумматор, причем первый вход первого блока сравнения соединен с входом управляемого фильтра, выход первого интегратора подключен к второму входу пер- 0 вого блока сравнения и к выходу управляемого фильтра, выход первого блока сравнения соединен с входом детектора знака, выход второго интегратора — с вторым входом второго

25 блока сравнения, выход квадратора— с входом второго масштабирующего блока, выход первого сумматора - с дополнительным входом ограничителя уровня сигнала, выход второго сумматора — с дополнительным входом первого интегратора (1 3.

Недостатком управляемого фильтра является низкая точность выделения полезного сигнала вследствие сравни- 35 тельно медленной адаптации настроечных коэффициентов управляемого фильтра при больших по величине импульсноподобных изменениях полезного сигнала. 40

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является сглаживающий фильтр, содержащий последовательно включенные первый фильтр низкой частоты, первый блок сравнения, 45 второй фильтр низкой частоты, детектор знака, второй блок сравнения, первый интегратор, соединенный выходом с вторым входом второго блока сравнения, первый квадратор, третий блок сравнения, логический блок ИЛИ, ключ и первый сумматор, последовательно включенные дифференциатор, четвертый блок сравнения, второй интегратор, соединенный выходом с вто- 55 рым входом четвертого блока сравнения, второй квадратор н пятый блок сравнения, выход которого подключен к второму входу логического блока

ИЛИ, а второй вход к выходу первого эадатчика, второй вход третьего блока сравнения соединен с выходом второго задатчика, выход первого фильтра низкой частоты — с вторым входом первого сумматора, выход второго фильтра низкой частоты — с вторым входом ключа, вход первого фильтра низкой частоты - с входом сглажива ющего фильтра, а выход первого сумматора является выходом сглаживающего фильтра 23.

Недостатком сглаживающего фильтра является также низкая точность выделения полезного сигнала, обусловленная тем, что из-за инерционности второго фильтра низкой частоты при импульсноподобных изменениях полезного сигнала его оценка отстает по фазе от действительного значения.

Целью изобретения является повышение точности фильтрации.

Для достижения поставленной цели в сглаживающий фильтр, содержащий первый сумматор, последовательно включенные первый фильтр низкой частоты и первый блок сравнения, второй фильтр низкой частоты, дифференциатор, детектор знака, два задатчика, первый квадратор, последовательно включенные второй квадратор и второй блок сравнения, третий блок сравнения, причем вход первого фильтра низкой частоты соединен с входом сглаживающего .фильтра и вторым входом первого блока сравнения, выход " первого фильтра низкой частоты прдклкчен к первому входу первого сумматора, выход которого является вы» ходом сглаживающего фильтра, введены два нелинейных блока,.третий фильтр низкой частоты, второй, третий и четвертый сумматоры, три блока деления и три блока умножения, при этом первый нелинейный блок включен между выходом первого блока сравнения и входом второго фильтра низкой частоты, первый блок умножения включен между выходом второго фильтра низкой частоты и вторым входом первого сумматора, второй нелинейный блок, третий фильтр низкой частоты и второй блок умножения включены последовательно между выходом первого блока сравнения и третьим входом первого сумматора, первый квадратор, второй сумматор, первый блок деления, диф1088099 ах(с). при йх(й) (О, (2) Д х (t) О при bx(t) О, b x(t) при hx(t) у О, (3) д х+(с) О. при Дх(й) (О, (4) As(t) ференциатор, детектор знака, третий .блок умножения, третий блок сравнения и второй блок деления включены последовательно между выходом второго фильтра низкой частоты и вторым 5 входом первого "ока умножения, третий сумматор и третий блок деления включены последовательно между выходом третьего блока умножения и вторым входом второго блока ум-. ножения, причем вход второго квадратора подключен к выходу третьего фильтра низкой частоты, выход — к второму входу второго сумматора и к второму входу второго блока сравнения, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход первого задатчика подключен к второму входу третьего блока умножения и к первому входу четвертого сумматора, 20 . выход второго задатчика соединен с вторыми входами третьего сумматора, третьего блока сравнения и четвертого сумматора, выход которого подключен к вторым входам второго и третьего .блоков деления.

На чертеже представлена структурная электрическая схема сглаживающего фильтра.

На схеме обозначены:х (t) и x(t) — 30 входной и выходной сигнапы фильтра в t-й момент времени;х (с) — центральное значение сглаженного i сигнала; хя(С) и дхб(С) - нижнее и верхнее. приращения сигнала относи- тельно его центрального значения.

Сглаживающий фильтр содержит первый фильтр 1.низкой частоты, первый блок 2 сравнения, первый и второй нелинейные блоки 3 и 4, второй 4О и третйй фильтры 5 и 6 низкой частоты, первый и второй квадраторы 7 и 8, второй блок, 9 сравнения, второй сумматор 10., первый блок 11 деления, дифференциатор 12, детектор 13 зна- 4 ка, первый задатчик 14, третий блок

15 умножения, второй задатчик 16, третий 17 и четвертый 18 сумматоры, третий блок 19 сравнения, второй 20 ,и третий 21 блоки деления, первый б:

22 и второй 23 блоки умножения и первый сумматор 24.

Сглаживающий фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал x(t) поступает на 55 вход первого фильтра 1 низкой частоты, реализованного, например, в виде последовательно соединенных блока сравнения, ограничителя и ийтеграто- ра, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения и выходом первого фильтра 1 низкой частоты. На выходе первого фильтра 1 низкой частоты получается сигнал xa(t) о центральном значении сглаженной величины x(t) „ Сигнал х (с) поступает на первый вход первого сумматора 24 н . на первый вход первого блока 2 сравнения, где вычитается из сигнала

x(t). Выходной сигнал первого блока

2 сравнения

bx(t) = x(t) — x (t) (1) поступает на.входы первого и второго

1нелинейных блоков З.и 4. Первый нелинейный блок 3 пропускает на выход отрицательное значение своего входного сигнала .по закону где hx-(Ф) - выходной сигнал первого нелинейного блока 3. Второй нелинейный блок 4 пропускает на выход положительное значение своего входного сигнала

rgebx<(t) - выходной сигнал второ-, го нелинейного блока 4.

Сигналы Д,х+(й) a b «-(t) идут соответственно на второй и третий фильтры 5 и 6 низкой частоты, на выходах которых получаются сигналы о нижнем дх" (t) и веРхнем bX (t) пРи8 ращениях относительно x (t); б

Сигналы bx" (t) и йх (с) пользуются для расчета показателя асимметрии по выражению

1, Для Реализации выражения (4) служат первый и второй квадраторы 7 и 8, второй блок. 9 сравнения, второй

1088099 сумматор 10 и первый блок 11 деления, на выходе которого и получается сигнал Ав(й). Показатель асимметрии изменяется в интервале (-1, +11.

Если As(t) = -1, то это говорит о том, 5 что центральное значение хо(й) смещено вверх относительно измеренного сигнала x(t). Если ae As(t) +1, то наоборот, централъное значение х (й) смещено вниз относительно

x(t). Поэтому центральное значение

xo(t) корректируется в зависимости от знака скорости изменения As(t).

Скорость v>+ (t) изменения As(t) взята для того, чтобы .делать упреждающую корректировку, а знак ско" рости vp>(t) - для того, чтобы сделать процедуру защищенной от отдельных грубых выбросов, имеющих место в . измеренном сигналех(й) и эначительно2О усиленных при определении скорости изменения (дифференцировании).

Исходя as указанных соображений выходной сигнал х (t) сглаживающего фильтра определяется по вираже- >5 (+ а1 в ч (!

«(««« I — «« — «вЂ”. ««:

1- ЙВ!б-и Ч (tl

+ . 4к (М (6 ) зо

1+% в котором к — коэффициент из диапа.зона (О,!), определяющий вес коррекции от ax (t) и Д х" (t) .

Затем выходной сигнал AS (t) первого блока 11 деления дифференцируется в дифференциаторе 12, на выходе которого получается сигнал v.дб(С), поступающий на вход детектора 13 знака, работающего согласно зависимости +1 пРи v (Ф}эО 4б

В ф!! д (1= О и Ри Чд (Ц и (1, (6!

-I пРн V (И(О, где эхяп ч (t) - выходной сигнал де3 тектора 13 знака. С выхода первого эадатчика 14 на третий блок 15 умножения н четвертый сумматор 18 поступает сигнал о величине коэффициента Ф„ а с выхода второго задатчика 16 на входы третьего 1i н четвертого 18 сумматора и третий блок 19 сравнения идет сигнал о величине 1. В третьем сумматоре 17 выходной сигнал третьего блока 15 умножения суммируется с выходным сигналом второго эадатчика

16, в третьем блоке 19 сравнения вычитается из этого же сигнала. Во втором и третьем блоках 20 и 21 деления производится деление выходного сигнала третьего сумматора 17 и третьего блока 19 сравнения на выходной сигнал (1 + Е) четвертого сумматора 18. Во втором блоке 22 умножения сигнал 4 x (t) умножает6 ся на выходной сигнал с второго блока 20 деления, первом блоке 23 умножения — на выходной сигнал третьего блока 2! деления. Выходные сигналы второго 22 и первого 23 блоков умножения алгебраически суммируются в первом сумматоре 24 с сигналом

x (t) с выхода первого фильтра 1 низкой частоты.

Введение новых блоков и связей в сглаживающий фильтр позволяет, по сравнению с базовым объектой (известным устройством) увеличить точность выделения полезного сигнала по среднеквадратичному критерию на .

5-15Х. Последняя цифра относится к полезному сигналу с нмпулъсоподобными изменениями. Использование сглаживающего фильтра в системе прогнозирования активности катализатора пс зволяет на 4-9Х увеличить точность прогноза.

1088099

Филиал ППП "Патеит", г. Уи оррд, ул. Проеатим, 4

ВНИИПИ

Тирах 862

Закаэ 2687/51.

Подвитое