Снижение мощности высокочастотных помех в сигнале управления автоматических систем гребенчатыми фильтрами
Ключевые слова:
мощность, сигнал, помеха, гребенчатый фильтр, частотные характеристики, система управления
Аннотация
Рассмотрен вопрос снижения мощности шумовой составляющей в управляющем сигнале систем промышленной автоматики путем использования алгоритмов, реализующих свойства гребенчатых фильтров (ГФ) в регуляторах на базе микроконтроллеров. Проведен анализ специфических особенностей частотных характеристик разомкнутых и замкнутых систем управления промышленными объектами и совмещения их с характеристиками гребенчатых фильтров. Выполнено сравнение частотных свойств трех групп фильтров, традиционно используемых в непрерывных системах автоматического управления, и трех групп гребенчатых фильтров, реализующих подобные функции. К данным фильтрам в задачах управления относятся: реальные дифференцирующие звенья или фильтры верхних частот (ФВЧ) первого порядка, апериодические звенья или фильтры нижних частот (ФНЧ) первого порядка и пропорциональные звенья. Определены соотношения между параметрами непрерывных фильтров и ГФ, обеспечивающих совпадение их частотных характеристик в области рабочих частот. Это позволяет провести синтез регуляторов систем
с использованием известных методик. Показано, что ГФ в области высоких частот имеют «провалы» на амплитудно-частотных характеристиках, которые совместно уменьшают мощность высокочастотных помех до 30%. Достоинство ГФ в системах управления — их простая реализация в цифровом виде в управляющем микропроцессорном контроллере. Применение ГФ в системах автоматики позволяет «вырезать нежелательные» гармонические помехи большой амплитуды в управляющем сигнале.
Литература
1. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования. М.: Физматгиз, 1963.
2. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.: Физматгиз, 1963.
3. Quevedo J., Escobet T. Digital Control: Past, Present and Future of PID Control // Proc. IFAC Workshop. Terrassa, 2000. Рp. 5—7.
4. Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1990.
5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука,1967.
6. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.
7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972.
8. Нетушил А.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1976.
9. Гурецкий Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. М.: Машиностроение, 1974.
10. Кулаков Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования. М.: Высшая школа, 1984.
11. Колосов О.С., Подольская И.Е., Кульмамиров С.А., Фон Чжаньлинь. Алгоритмы численного дифференцирования в задачах управления. М.: Изд. дом МЭИ, 2009.
12. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66—74; 2007. № 1. С. 78—88.
13. Astrom K.J., Hagglund T. Advanced PID Control. ISA, 2006.
14. Li Y., Ang K.H, Chong G.C.Y. Patents, Software, and Hardware for PID Control. An Overview and Analysis of the Current Art // IEEE Control Syst. Magazine. 2006. Pp. 41—54.
15. Коберниченко В.Г. Расчет и проектирование цифровых фильтров. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2015.
16. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990.
17. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2003.
18. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация. М.: Мир, 1982.
19. Сорокин Г.А. Фильтры нижних частот // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2015. Т. 15. № 1. С. 100—107.
20. Колосов О.С., Кошоева Б.Б. Алгоритмы численного дифференцирования реального времени для задач автоматизации и управления. Новые технологии // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 2. С. 10—15.
21. Колосов О.С., Кошоева Б.Б., Морозов Р.Б. Дополнительный настраиваемый параметр для ПИД-регулятора. (Дифференцирование с увеличенным шагом дискретизации). Саарбрюккен: Palmarium Academic Publishing, 2016.
22. Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем радиоуправления и передачи информации. М.: Горячая линия – Телеком, 2018.
---
Для цитирования: Бабочкин М.А., Колосов О.С., Кузнецова А.А. Снижение мощности высокочастотных помех в сигнале управления автоматических систем гребенчатыми фильтрами // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 91—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-91-100.
#
1. Dzhuri E. Impul'snye Sistemy Avtomaticheskogo Regulirovaniya. M.: Fizmatgiz, 1963. (in Russian).
2. Tsypkin Ya.Z. Teoriya Lineynykh Impul'snykh Sistem. M.: Fizmatgiz, 1963. (in Russian).
3. Quevedo J., Escobet T. Digital Control: Past, Present and Future of PID Control. Proc. IFAC Workshop. Terrassa, 2000:5—7.
4. Turchak L.I. Osnovy Chislennykh Metodov. M.: Nauka, 1990. (in Russian).
5. Ango A. Matematika dlya Elektro- i Radioinzhenerov. M.: Nauka, 1967. (in Russian).
6. Korn G., Korn T. Spravochnik po Matematike dlya Nauchnykh Rabotnikov i Inzhenerov. M.: Nauka, 1984. (in Russian).
7. Besekerskiy V.A., Popov E.P. Teoriya Sistem Avtomaticheskogo Regulirovaniya. M.: Nauka, 1972. (in Russian).
8. Netushil A.V. Teoriya Avtomaticheskogo Upravleniya. M.: Vysshaya Shkola, 1976. (in Russian).
9. Guretskiy Kh. Analiz i Sintez Sistem Upravleniya s Zapazdyvaniem. M.: Mashinostroenie, 1974. (in Russian).
10. Kulakov G.T. Inzhenernye Ekspress-metody Rascheta Promyshlennykh Sistem Regulirovaniya. M.: Vysshaya Shkola, 1984. (in Russian).
11. Kolosov O.S., Podol'skaya I.E., Kul'mamirov S.A., Fon Chzhan'lin'. Algoritmy Chislennogo Differentsirovaniya v Zadachakh Upravleniya. M.: Izd. Dom MEI, 2009. (in Russian).
12. Denisenko V.V. PID-regulyatory: Printsipy Postroeniya i Modifikatsii. Sovremennye Tekhnologii Avtomatizatsii. 2006;4:66—74; 2007;1:78—88. (in Russian).
13. Astrom K.J., Hagglund T. Advanced PID Control. ISA, 2006.
14. Li Y., Ang K.H, Chong G.C.Y. Patents, Software, and Hardware for PID Control. An Overview and Analysis of the Current Art. IEEE Control Syst. Magazine. 2006:41—54.
15. Kobernichenko V.G. Raschet i Proektirovanie Tsifrovykh Fil'trov. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Un-ta, 2015. (in Russian).
16. Gol'denberg L.M., Matyushkin B.D., Polyak M.N. Tsifrovaya Obrabotka Signalov. M.: Radio i Svyaz', 1990. (in Russian).
17. Baskakov S.I. Radiotekhnicheskie Tsepi i Signaly. M.: Vysshaya Shkola, 2003. (in Russian).
18. Lem G. Analogovye i Tsifrovye Fil'try. Raschet i Realizatsiya. M.: Mir, 1982. (in Russian).
19. Sorokin G.A. Fil'try Nizhnikh Chastot. Vestnik YUUrGU. Seriya «Komp'yuternye Tekhnologii, Upravlenie, Radioelektronika». 2015;15;1:100—107. (in Russian).
20. Kolosov O.S., Koshoeva B.B. Algoritmy Chislennogo Differentsirovaniya Real'nogo Vremeni dlya Zadach Avtomatizatsii i Upravleniya. Novye Tekhnologii. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2012;2:10—15. (in Russian).
21. Kolosov O.S., Koshoeva B.B., Morozov R.B. Dopolnitel'nyy Nastraivaemyy Parametr dlya PID-regulyatora. (Differentsirovanie s Uvelichennym Shagom Diskretizatsii). Saarbryukken: Palmarium Academic Publishing, 2016. (in Russian).
22. Veytsel' V.A. Teoriya i Proektirovanie Radiosistem Radioupravleniya i Peredachi Informatsii. M.: Goryachaya Liniya – Telekom, 2018. (in Russian).
---
For citation: Babochkin M.A., Kolosov O.S., Kuznetsova A.A. Reducing the High-Frequency Noise Power in the Automatic Control System Signal by Using Comb Filters. Bulletin of MPEI. 2020;6:91—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-91-100.
2. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.: Физматгиз, 1963.
3. Quevedo J., Escobet T. Digital Control: Past, Present and Future of PID Control // Proc. IFAC Workshop. Terrassa, 2000. Рp. 5—7.
4. Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1990.
5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука,1967.
6. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.
7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972.
8. Нетушил А.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1976.
9. Гурецкий Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. М.: Машиностроение, 1974.
10. Кулаков Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования. М.: Высшая школа, 1984.
11. Колосов О.С., Подольская И.Е., Кульмамиров С.А., Фон Чжаньлинь. Алгоритмы численного дифференцирования в задачах управления. М.: Изд. дом МЭИ, 2009.
12. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66—74; 2007. № 1. С. 78—88.
13. Astrom K.J., Hagglund T. Advanced PID Control. ISA, 2006.
14. Li Y., Ang K.H, Chong G.C.Y. Patents, Software, and Hardware for PID Control. An Overview and Analysis of the Current Art // IEEE Control Syst. Magazine. 2006. Pp. 41—54.
15. Коберниченко В.Г. Расчет и проектирование цифровых фильтров. Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2015.
16. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990.
17. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2003.
18. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация. М.: Мир, 1982.
19. Сорокин Г.А. Фильтры нижних частот // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2015. Т. 15. № 1. С. 100—107.
20. Колосов О.С., Кошоева Б.Б. Алгоритмы численного дифференцирования реального времени для задач автоматизации и управления. Новые технологии // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 2. С. 10—15.
21. Колосов О.С., Кошоева Б.Б., Морозов Р.Б. Дополнительный настраиваемый параметр для ПИД-регулятора. (Дифференцирование с увеличенным шагом дискретизации). Саарбрюккен: Palmarium Academic Publishing, 2016.
22. Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем радиоуправления и передачи информации. М.: Горячая линия – Телеком, 2018.
---
Для цитирования: Бабочкин М.А., Колосов О.С., Кузнецова А.А. Снижение мощности высокочастотных помех в сигнале управления автоматических систем гребенчатыми фильтрами // Вестник МЭИ. 2020. № 6. С. 91—100. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-91-100.
#
1. Dzhuri E. Impul'snye Sistemy Avtomaticheskogo Regulirovaniya. M.: Fizmatgiz, 1963. (in Russian).
2. Tsypkin Ya.Z. Teoriya Lineynykh Impul'snykh Sistem. M.: Fizmatgiz, 1963. (in Russian).
3. Quevedo J., Escobet T. Digital Control: Past, Present and Future of PID Control. Proc. IFAC Workshop. Terrassa, 2000:5—7.
4. Turchak L.I. Osnovy Chislennykh Metodov. M.: Nauka, 1990. (in Russian).
5. Ango A. Matematika dlya Elektro- i Radioinzhenerov. M.: Nauka, 1967. (in Russian).
6. Korn G., Korn T. Spravochnik po Matematike dlya Nauchnykh Rabotnikov i Inzhenerov. M.: Nauka, 1984. (in Russian).
7. Besekerskiy V.A., Popov E.P. Teoriya Sistem Avtomaticheskogo Regulirovaniya. M.: Nauka, 1972. (in Russian).
8. Netushil A.V. Teoriya Avtomaticheskogo Upravleniya. M.: Vysshaya Shkola, 1976. (in Russian).
9. Guretskiy Kh. Analiz i Sintez Sistem Upravleniya s Zapazdyvaniem. M.: Mashinostroenie, 1974. (in Russian).
10. Kulakov G.T. Inzhenernye Ekspress-metody Rascheta Promyshlennykh Sistem Regulirovaniya. M.: Vysshaya Shkola, 1984. (in Russian).
11. Kolosov O.S., Podol'skaya I.E., Kul'mamirov S.A., Fon Chzhan'lin'. Algoritmy Chislennogo Differentsirovaniya v Zadachakh Upravleniya. M.: Izd. Dom MEI, 2009. (in Russian).
12. Denisenko V.V. PID-regulyatory: Printsipy Postroeniya i Modifikatsii. Sovremennye Tekhnologii Avtomatizatsii. 2006;4:66—74; 2007;1:78—88. (in Russian).
13. Astrom K.J., Hagglund T. Advanced PID Control. ISA, 2006.
14. Li Y., Ang K.H, Chong G.C.Y. Patents, Software, and Hardware for PID Control. An Overview and Analysis of the Current Art. IEEE Control Syst. Magazine. 2006:41—54.
15. Kobernichenko V.G. Raschet i Proektirovanie Tsifrovykh Fil'trov. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Un-ta, 2015. (in Russian).
16. Gol'denberg L.M., Matyushkin B.D., Polyak M.N. Tsifrovaya Obrabotka Signalov. M.: Radio i Svyaz', 1990. (in Russian).
17. Baskakov S.I. Radiotekhnicheskie Tsepi i Signaly. M.: Vysshaya Shkola, 2003. (in Russian).
18. Lem G. Analogovye i Tsifrovye Fil'try. Raschet i Realizatsiya. M.: Mir, 1982. (in Russian).
19. Sorokin G.A. Fil'try Nizhnikh Chastot. Vestnik YUUrGU. Seriya «Komp'yuternye Tekhnologii, Upravlenie, Radioelektronika». 2015;15;1:100—107. (in Russian).
20. Kolosov O.S., Koshoeva B.B. Algoritmy Chislennogo Differentsirovaniya Real'nogo Vremeni dlya Zadach Avtomatizatsii i Upravleniya. Novye Tekhnologii. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2012;2:10—15. (in Russian).
21. Kolosov O.S., Koshoeva B.B., Morozov R.B. Dopolnitel'nyy Nastraivaemyy Parametr dlya PID-regulyatora. (Differentsirovanie s Uvelichennym Shagom Diskretizatsii). Saarbryukken: Palmarium Academic Publishing, 2016. (in Russian).
22. Veytsel' V.A. Teoriya i Proektirovanie Radiosistem Radioupravleniya i Peredachi Informatsii. M.: Goryachaya Liniya – Telekom, 2018. (in Russian).
---
For citation: Babochkin M.A., Kolosov O.S., Kuznetsova A.A. Reducing the High-Frequency Noise Power in the Automatic Control System Signal by Using Comb Filters. Bulletin of MPEI. 2020;6:91—100. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-91-100.
Опубликован
2020-11-29
Выпуск
Раздел
Системный анализ, управление и обработка информации (05.13.01)
