Снижение мощности высокочастотных помех в сигнале управления автоматических систем гребенчатыми фильтрами

Михаил [Mikhail] Андреевич [A.] Бабочкин [Babochkin]; Олег [Oleg] Сергеевич [S.] Колосов [Kolosov]; Анна [Anna] Александровна [A.] Кузнецова [Kuznetsova]

doi:10.24160/1993-6982-2020-6-91-100

Михаил [Mikhail] Андреевич [A.] Бабочкин [Babochkin]
Олег [Oleg] Сергеевич [S.] Колосов [Kolosov]
Анна [Anna] Александровна [A.] Кузнецова [Kuznetsova]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2020-6-91-100

Keywords: power, signal, noise, comb filter, frequency responses, control system

Abstract

The article addresses the matter of reducing the power of high-frequency noise in the control signal produced by industrial automatic systems through the use of algorithms implementing the properties of comb filters in microprocessor controllers. The specific features relating to the frequency responses of open- and closed-loop automatic control systems of industrial facilities are analyzed - both taken alone and in combination with the characteristics of comb filters. The frequency properties of three filter groups that are conventionally used in continuous automatic control systems are compared with three groups of comb filters that implement similar functions. As applied to control tasks, such filters include real differentiating sections or first-order high-pass filters, first-order lag sections or low-pass filters, and proportional sections. The ratios between the parameters of continuous filters and comb filters at which their frequency properties coincide in the operating frequency band are determined. These ratios known, it becomes possible to synthesize the controllers of systems using the existing techniques. It is shown that the amplitude-frequency responses of comb filters have dips in the high-frequency band, due to which the high frequency noise power is finally decreased by up to 30%. The advantage of comb filters in control systems lies in simplicity of implementing them in digital form in a microprocessor controller. The application of comb filters in automatic control systems makes it possible to cut undesirable harmonic noise of large amplitude in the control signal.

Information about authors

Михаил [Mikhail] Андреевич [A.] Бабочкин [Babochkin]

Ph.D-student of Control and Intelligent Technologies Dept., NRU MPEI, e-mail: babochkamisha@mail.ru

Олег [Oleg] Сергеевич [S.] Колосов [Kolosov]

Dr.Sci. (Techn.), Professor of Control and Intelligent Technologies Dept., NRU MPEI, e-mail:
KolosovOS@mpei.ru

Анна [Anna] Александровна [A.] Кузнецова [Kuznetsova]

Ph.D-student of Control and Intelligent Technologies Dept., NRU MPEI, e-mail: aleksandrovna393@yandex.ru

References

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.