Адаптивный фильтр

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к релейной защите и электрическим измерениям. Цель изобретения - уменьшение времени выделения постоянной составляющей в условиях переходного процесса. Адаптивный фильтр содержит два цифровых фильтра 1, 2, сумматор 3, пороговый блок 4, блок 5 задания весовых коэффициентов , источник 6 единичного сигнала, блок 7 деления. 1-3-4-5-1, 6-2-7,5-2. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 03 Н 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. 2 (54) АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР

О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ .1 (21) 4880982/09 (22) 06.11.90 (46) 23.09.92. Бюл, М 35 (71) Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова и Всесоюзный научноо-иссл едовател ьс кий, проектно-конструкторский институт релестроения (72) Ю.Я. Лямец и А.П. Арсентьев (56) Адаптивные фильтры/Под ред. К.Ф. Коуэна и П.М. Гранта. M.: Мир, 1988, с. 13, рис. 1.1.

9) Ы 1764145 А1 (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и электрическим измерениям. Цель изобретения— уменьшение времени выделения постоянной составляющей в.условиях переходного процесса. Адаптивный фильтр содержит два цифровых фильтра 1, 2, сумматор 3, пороговый блок 4, блок 5 задания весовых коэффициентов, источник 6 единичного сигнала, блок 7 деления. 1-3 — 4-5-1, 6-2-7, 5 — 2. 1 ил.

1764145

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите и электри.ческим измерениям, и может быть использовано для выделения принужденной постоянной составляющей тока или напряжения в условиях длительного переходного процесса при неизвестнйх параметрах электрической установки.

Для выделения постоянной составляющей электрической величины применяются нерекурсивные цифровые фильтры с заранее"заданными коэффициентами, Чем выше избирательность такого фильтра йо отношению к полезному сигналу, тем выше и инерционность фильтра, измеряемая временем выделения полезного сигнала, Принципиальную возможность разрешить противоречие между избирательно-стью и инерционностью предоставляет адаптивная фильтрация. Известные адаптивные фильтры включают в свой состав цифровой фильтр, сумматор и блок-задания весовых коэффициентов. Вход цифрового фильтра является входом адаптивного фильтра, а. выход подключен к одному из входов сумматора. Информационный вход блока задания весовых коэффициентов обьединен с входом цифрового фильтра, а выходы подключены к входам задания параметров этого фильтра.

Уровень постоянной составляющей и состав переходного процесса заранее неизвестны, в связи с чем порядок указанного адаптивного фильтра необходимо выбирать достаточно высоким, а его параметры подчинять условию нормировки частотной характеристики на нулевой частоте. Ho min меры ведут к увеличению времени выделения полезного сигнала.

Цель изобретения — уменьшение времени выделения постоянной составляющей в условиях переходного процесса.

Поставленная цель достигается таким построением схемы адаптивного фильтра, что его порядок оказывается минимально необходимым для обработки конкретного переходного процесса, а на параметры фильтра не накладывается никаких предварительных ограничений. С этой целью в адаптивный фильтр введены пороговый блок, источник единичного сигнала, второй цифровой фильтр, идентичный первому, и блок деления, и между ними установлены связи, обеспечивающие оптимальную настройку адаптивного фильтра. Пороговый блок включен между выходом сумматора и управляющим входом блока задания весовых коэффициентов; источник единичного сигнала, второй цифровой фильтр и блок деления включены последовательно (каскадно), выходы блока задания весовых коэффициентов подключены к входам задания параметров второго цифрового фильтра; . вторые входы сумматора и блока деления

5 являются входом опорного сигнала, а выход блока делеййя — выходом адаптивного фильтра.

На чертеже приведена структурная схема адаптивного фильтра.

10 Адаптивный фильтр содержит два цифровых фильтра 1 и 2, первый из которых настраивается на входной сигнал, а второй идентичен первому и получает свои параметры по результатам его настройки, сумма15 тор 3, пороговый блок 4; блок задания весовых коэффициентов 5, источник единичного сигнала 6 и блок деления 7. В состав цифрового фильтра 1 входят элементы за держки 8-10, умножители 11-13 и многовхо20 довый сумматор 14. Второй цифровой фильтр Р состоит из аналоговых элементов, но включены фильтры 1 и 2 по-разному: информационный вход фильтра 1 образует вход адаптивного фильтра. а информацион25 ный вход фильтра 2 подключен к источнику единичного сигнала 6. Входы задания коэффициентов обоих фильтров 1 и 2 подключены к верхним выходам блока 5, нижний же: . выход этого блока подключен к входам бло30 ка деления 7 и сумматора 3. Пороговый блок

4, вход которого соединен с выходом сумматора 3, воздействует совместно с входным сигналом фильтра на блок задания весовых . коэффициентов 5, Блок деления 7 выполнен

35 с задающим входом, подключенным к выходу цифрового фильтра 9. Выход блока деления 7 является выходам адаптивного фильтра.

Для формирования оптимальной пере40 даточной характеристики адаптивного фильтра используется опорный сигнал, В обычных адаптивных фильтрах этот сигнал известен. Принцйпиальное отличие данного фильтра заключается в ином подходе к фор45 мированию опорного сигнала. Априорно известсн лишь его характер — постоянный, но уровень неизвестен, и поэтому опорный сигнал здесь формируется вместе с сигналами, задающими адаптивные коэффициенты

50 цифровому фильтру 1.

Отдельные блоки имеют следующие назначения. Цифровые фильтры 1 и 2 осуществляют нерекурсивное преобразование

55 своих входных сигналов. Коэффициенты этих фильтров одинаковы, поэтому к фильт. рам 1 и 2 можно относиться как к одному и тому же фильтру, который настраивается предварительно, будучи фильтром 1, а после настройки используется как фильтр 2. х т (4) 5 1764145 6

Если на вход фильтра 1 поступает сиг- дической погрешности. Пусть íà его вход нал u(l), где — дискретноте время, то на его поступает величина u(l) = Vo+ u„(t), где Vo— вйходе образуется сигнал, .: неизвестная постоянная составляющая. подлежащая выделению. u

@,, - - 5 слагаемая наблюдаемого переходйого проZ, i (} цесса, протекающего в контролируемой сети. После преобразования в цифровом

„, "поря о $ .ьт а,: " .: фильтре1, блоке5и сумматоре 3 выходной

aj -" адаптивные весовые коэффициен- сигнал последнего будет иметь вид ты, "вырабатываемые на верхних" выходах

6ЛОКа аадаинк ВЕСОВЫХ КОЭффИцИЕНтОабэ e(I)= H(0) Ijjj Ij eÄ(1). а ц„(1. 1) (б)

Существенно; что младший коэффици ент фильтра зафиксирован (ао = 1).

Нанижнемвыходеблока5формируется 15 где H(0) — передахточная характериСтика постояннйй опорный сигнал у. В сумматоре фильтров.1 и 2 на нулевой частоте.

5 этот сигйал вычйтаетсся из v(l), и на поро- : По мере йоступления отсчетов вхбдной говый блок 4 поступает разностный сигнал . — величины задающий блок 5 определяет параметры у и à(для все больших значений m, () "(0 у ."() У . l а) )(. !)..() .: ственныйотсчети(О) и изсистЕмы(4) следока) Пороговый блок 4 реагирует на ее-у.,о ... —.. чае, иногда устантовитстя низкий Уро ень с вень; уставка срабатть)вчания порогового 25 нала г (!), веРнетсЯ- поРогОвый блок 4 и ,. элемента д выбирается настолько. малой, пРиосттановитксвою РаботУ задающий блок - наскотлько поз оляетт уровень шумов; Если . 5, Таким образом, можно сказат, что поро

8(!)»А, орогов и блок 4 страбатьвает, раз- . - .говь " б"ок4 контРолиРУетполно унастРойреааяытемху самэЫм"задающтемублоку5обно- .... ки адаптивного фильтра. Лринцйпиально

30: важен тот факт, что существует значение гл, 2.--Е „. (0 y ..., „.,:, . При кОтбрОмссагтаемсОе ц (!) в выражении(5) уд o< © A> 0 т е щето блока 5 и приостанавливая тем самым процесс обноаленил коэффициентов.", .: ..,::;:-,;,:;.:- — о„(1) а1(ц„(1. 1) 0. (0)

Блок 5 фо )мирует- ма своих выходах сиг- З5 йалы, задающие коэффицйенты ae), а также рйорный ситнал у. Принцип-действйя этого Задающий блок 5 обеспечит значения коэфблока затктлючается в преобразовании отсче-" . :: фйциентов а(, необходимые для выйолнения тов входной величины u(l), взятых в моменты ::,- ттождеыства (6). Одновременно с этим он вывремени l - О, 1, ..., n (1 - О, n), в сигналы аь 40 ставит на нижнем выходе сигйал

i =: 1, m, и:у, и, в общем случае йодчийен некоторому критерию, минимизирующему : ": У = H(0)Veo. (7) урОвень сигнала я(!). Простейшая организа: ция блока 5 обеспечйвает решейие в4-1 Условие подавления -свободного слагаемого уравнений - .::...:: .. . 45 (6) совместно с равенством (7} приводит, как это видно иэ айраженнтия (5), к тому, что E I = 0

e(I)=0;1= т-2m,:: (3) при 1 ы m, причем к (I) - 0 при I = m, 2m обеспечйвается в процессе настройки соили, с учетом выражения (2), .: гласно (3), а я (I) = 0 при «» 2m + 1 получа- .

y+ u(m-1)a!+ u(m -2)а2+ ... 50 ется уже само собой за счет достигнутой

+ о(0}а()) = u(m) настройки.

y+ 0(э)а! + u(m - 1)а2 + ...

+ u(1)aI)) =u(m+1) Механизм настройки, приводящий в

"итоге к равенствам (6), (7), может быть pacy+u(2m-1)а!+ u(2m-2)а2+ ... 55 крыт на примерах конкретных свободных

+. u(m)aI() = v(2m) .. слагаемых, Пусть, например., свободный процесс носит апериодический характер, т.

Рассмотрение свойств адаптивного е. цсб(!) = Vexp(- p z !), где )3 — неизвестный фильтра показало, что он свободен от мето- коэффициент затухания; к- интервал диск1764145 или, в форме(4), ретизации. Тогда сигнал (5) на выходе сумматора (3) у+ u(0)ai + и(1)аг = u(2), f9t е(1) = H(0)Vo- у+(1- а е )че . (8)

Блок задания весовых коэффициентов 5 определит параметры у и а> из условия (3) при

m=1:

5 у+ u(1)a> +»»(2)аг - о(3), (13) у + u(2)a + u(3)az = u(4).

Между тем, сигнал я (1} будет иметь

10 следующее описание в форме (8): я(1) =О, е(2) =О, и сделает это на основе равенства (4) (9) e(l - H(0)Vo — у + (1 — а1в

p>t г 1Т вЂ” pjtl At

16 -аге )Чя +(1 -а1е гРгt — Д»,1

-аге )Чге у+ u(0)ap = u(1), (10) у +u(1)a1=u(2).: " : -: .: . - - (14)

Но равенства (9) в данном случае адекватны 20 и,следовательно, выполнение условий (12) обеспеч ет р ж Р енство (7), а обеспечивается пре)кним равенством (7), а также ствам, следующим на основании выражения р. р. -=-:-=... 1-а ехрф» t-агехр2ф г=0, (8):

H(0)Vo- у+(1- а е )е =О, (11) 25 1-а1ехрp2t -агехр2Дt =0, pt -2pt

Н{0)Чо - у+ (1 - а»е )е - 0. что автоматически сводит к нулю сигнал я(1) пре всех последующих значениях дискретКак в равенства (10), так и в равенства (11) ного времени!. входят одни и те же неизвестные у и а1 30 Также йри m =2 происходит-настройка

Стоит теперь перенести результат, получен-. и на периодический свободный процесс ный иэ равенства (11), в выражение (8), как»» »(1) - Чехр(-pt 1)з1п(»й +ф где» =2_#_t;

" станет ясно, что условия настройки (9) при- f неизвестная частота. Условие настройки ведут к полному исчезновению сигнала 8(1) сохраняет форму(13), но на этот раз сигнал т. е. за ними последует е(1) = 0,1=3, 4. ".. 35 (1)имеетиноеописание:

Пороговый блок 4 обнаружит низкий уровень выходного сигнала е(1) сумматора 3 и:. -pt снимет с задающего блока 5 сигнал, разре- 8 (1) = H(0)Vo - y+ 2 bn ((1 - а1е ..

Шающий дальнейшую настройку Йерекур- . : гР Р » сивного фильтра 1, Выставленные 40 .. a2e ...}e параметры сохранятся и у второго йерекурсивного фильтра 2. Поскольку ía его вход где р —.. ф+) м» вЂ” комплексная частота. поступает опорный постояннЫй сигнал еди- Очевидно, что и в этом случае соотношение ничного уровня, то выходной сигнал этого (7)сохранитсвоюсилу,а коэффициентыа1и фильтра совпадает по величине с Н(0). ц 45 блоке 7 сигнал у делится на Н(0). вследствие чего на выходе совокупного адаптйвного ..1 aIexP{-Р ) агехр{ 2P } фильтра возникает сигнал у/Н(0), который, как видно из равенства (7), и есть искомая величина Чо. 50

Адаптивный фильтрдействует потой же . ".. а1ехРptcos Ф f - агехр2ptсоз2 v f -О, схеме и при более сложном характере csoбодного процесса. Так, если uce(1) а. е"Р ™" f-агехр2Р 1п2 "т

- Vlexp(- p> t 1)+ Чгехр(Д г 1}, настройка бу- дет продолжена вплоть до m = 2 вместо 55 ..АдаптивныйфильтРобладает,такимобусловий(9) условиями настройки, реализуе- р.зом, свойством обнаруживать за вполне мыми задающим блоком 5, явятся; согласно определенное время и без методической поуравнениям (3) . Ре но и остоЯ нУю составлЯющУю пе(2) -0 (3) = 0, (4) 0 {12) Реходного процесса, что полезно в целом ряде устройств, требующих быстрого и точ1764145

Ф

Составитель Ю.Лямец

Редактор Г.Бельская Техред М.Моргентал Корректор В ПетРаш

Заказ 3462 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ного измерения этой составляющей, например в устройствах контроля изоляции электрической сети, а также в быстродействующих измерительных органах за:.щитных устройств, предотвращающих поражение электрическим током.

Формула изобретения

Адаптивнйй фильтр, содержащий циф...ровой фильтр, вход которого является входом адаптивнОго фильтра, а выход подключен к одному из входов сумматора, а .также блок задания весовых коэффициентов, информационный вход которого объединен с входом цифрового фильтра, а выходы подключены к входам задания параметров первого цифрового фильтра, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения времени и выделения постоянной поставляющей в условиях переходного процесса, в него введены пороговый блок, включенный

5 между выходом сумматора и управляющим входом блока задайия весовых коэффициентов,-а также источник единичного сигнала, второй цифровой фильтр, идентйчный первому, и блок деления, вклФчейные последо10 вательйо, при этом выходы блока задания весовйх коэффициейтов подключены к вхо- дам задания параметров второго цифрового фильтра, вторые входы сумматора и блока деления являются входом опорного сигна15 ла, а выход блока деленйя является выходом адаптивного фильтра,