Пример синтеза структуры аналоговой части циклического фильтра Калмана – Бьюси

Исходными данными для синтеза схемы циклического фильтра Калмана – Бьюси (ФКБ) являются стартовая конфигурация его структурной схемы, значения коэффициентов усиления и времени функционирования на цикле .

Пусть необходимо производить измерения на интервале  и значение скорости изменения входного сигнала на входе ФКБ не превышает , а интенсивность сигнала типа белого шума определяется значением , причем . Следуя методике, изложенной в работе [4], зададим начальное значение ковариационной матрицы  следующим образом:

,                             (18)

где  – некоторый коэффициент пропорциональности. Тогда значения коэффициентов усиления [4], определяемые решениями матричного уравнения Риккати, будут иметь следующий вид:

,                              (19)

.                     (20)

Дополнительные исследования показывают, что оптимальная точность фильтра достигается в случае, если функциональная зависимость этих коэффициентов для безразмерного времени q имеет вид, представленный на рис. 2.

Из уравнения Риккати [2] легко синтезируется исходная принципиальная схема фильтра рис. 3. На приведенной принципиальной схеме в начальном (некомпенсированном) варианте отсутствуют операционный усилитель А9 и резисторы R13–R17, номинал резистора , а неинвертирующие входы ОУ А2, А3 и А7 соединены с землей. При указанных на схеме номиналах резисторов и конденсаторов максимальный коэффициент передачи умножающих ЦАП (ОУ А2 и А3) не превышает единицы. По формуле (7) определяем, что для  в обоих каналах ФКБ необходимо использовать 10-разрядные ЦАП, что позволяет воспроизводить характеристики (19) и (20) в каждый момент времени с высокой точностью, то есть фактически непрерывно.

Результаты численного моделирования схемы ФКБ (рис. 3) показывают, что в рассматриваемом случае достаточным является разбиение интервала времени цикла на 100 отсчетов. Таким образом, частота работы ЦАП составляет .

Рис. 3. Принципиальная схема гибридного циклического ФКБ 2-го порядка

Отметим, что в рассматриваемом случае каких-либо формальных строгих процедур определения допустимого интервала отклонения значений коэффициентов усиления нет. Знаменатель замороженной передаточной функции идеализированного ФКБ на -м фиксированном интервале времени следует из (6) и может быть представлен следующим образом:

.                                                           (21)

Из представленных на рис. 2 временных зависимостей коэффициентов усиления следует, что на каждом интервале времени ( ) указанный знаменатель является гурвицевым, так как выполняется условие . С учетом частотных свойств ОУ, входящих в состав реального ФКБ, и их идентичности полином (21) можно записать следующим образом:

, (22)

где .

В выражении (22) не учтены все члены, обратно пропорциональные произведениям площадей усиления ОУ, влияние которых на свойства реализуемого ФКБ пренебрежимо мало. Используя результат [9], условие гурвицевости полинома (22) можно представить следующим образом:

.              (23)

Учитывая, что , и пренебрегая членами второго порядка малости, неравенство можно записать в виде

.                                                                 (24)

Как видно из (24), требования к минимально возможному значению площади усиления ОУ в основном определяются максимально возможным значением отношения коэффициентов усиления фильтра и могут быть снижены при компенсации (уменьшении) величины . Анализ неравенства (24) показывает, что в рассматриваемом случае условие гурвицевости полинома (22) при выполнении  не зависит от вариаций приращений ,  и . Поэтому дальнейший синтез схемы будем производить таким образом, чтобы обеспечить минимальное отклонение АЧХ и переходных характеристик реального фильтра от идеализированного. В этом случае допустимое (минимально возможное) значение площади усиления ОУ может быть определено из анализа отклонений временных характеристик реального фильтра от идеализированного.

В соответствии с предложенной методикой определим необходимые для анализа схемы наборы локальных передач , ,  и . Для этого по синтезированной принципиальной схеме путем сопоставления локальных передач ветвей схемы с ветвями графа обобщенной структуры определим компоненты матриц и векторов, входящих в систему, и составим блочную матрицу , а также определим обратную :

,          (25)

.                             (26)

нестационарный схема фильтр циклический

Из этой же матрицы легко определяется набор локальных передач , ,  и  [4]. Результаты вычислений полиномов числителей указанных функций локальных передач схемы сведены в табл. 1. Знаменатель рассматриваемых передаточных функций определяется выражением (26).

Таблица 1. Наборы локальных передач схемы ФКБ второго порядка (рис. 3)

Вид локальной передачи	Числитель локальной передаточной функции
1	2
	,
	, ,
	, , , , ,
	, , , , , ,
	, , , , , ,

Здесь верхний индекс «1» соответствует выходу ФКБ канала оценки измеряемой величины – , а индексом «2» обозначен выход ФКБ канала оценки производной измеряемой величины – .

Используя результаты, представленные в табл. 1, по формулам и определяем приращения полиномов числителя и знаменателя передаточной функции идеализированного ФКБ:

 (27)

(29)

Синтез принципиальной схемы низкочувствительного ФКБ заключается во введении по определенным правилам компенсирующих контуров обратных связей, позволяющих произвести изменение значений приращений (27)–(29), с целью уменьшения активной составляющей функции чувствительности.

Примем значение частоты единичного усиления ОУ равным  Гц; легко видеть, что при этом условие (24) выполняется. В качестве указан-ных активных элементов можно использовать отечественные микромощ-ные ОУ – К140УД12 (при соответствующем токе управления). По формуле (10) определяем значение верхней границы частотного диапазона ФКБ . Решая оптимизационную задачу (8), определяем область из-менения параметров схемы, соответствующую «наихудшему случаю» – и . По результатам вычислений, представленным в табл. 1, определяем функции чувствительности передаточной функции схемы по каждому из ее выходов для каждого ОУ. Далее, решая ряд оптимизационных задач с учетом ограничений и полученной выше допустимой области вариаций параметров схемы, определяем значения модулей указанных функций чувствительности. Результаты ранжирования ОУ по степени их влияния представлены на диаграмме рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма модулей функций чувствительности ОУ

Здесь – оценки модулей функций чувствительности для канала оценки измеряемой величины – ,  – оценки модулей функций чувствительности для канала оценки производной измеряемой величины – .

Из приведенной на рис. 4 диаграммы видно, что наибольший вклад в качественную оценку показателей схемы вносит площадь усиления ОУ .

Результаты численного моделирования исходной схемы ФКБ (без дополнительных компенсирующих контуров ОС) в частотной и временной областях для указанного выше значения частоты единичного усиления ОУ представлены соответственно на рис. 5 и 6 (моделирование производилось с помощью пакета прикладных программ MicroCap. Из приведенных рисунков видно, что для принятой стартовой структуры ФКБ частотные свойства ОУ, входящих в состав реализуемого фильтра (рис. 3), оказывают достаточно большое влияние на реализуемые схемой частотные и переходные характеристики. С целью снижения влияния параметров доминирующих ОУ на характеристики в схемы вводятся дополнительные компенсирующие контуры обратных связей № 1, 2, 3 и 4 (рис. 3), позво-ляющие значительным образом снизить указанное влияние [4]. Основные результаты этапов синтеза дополнительных контуров схемы представлены в табл. 2.

Рис. 5. АЧХ схемы ФКБ второго порядка без дополнительных контуров ОС

Рис. 6. Реакция схемы ФКБ второго порядка (без дополнительных контуров ОС) на линейно изменяющееся входное воздействие с заданным уровнем шума

Таблица 2. Основные результаты этапов синтеза компенсирующих контуров ОС

Результат

В частотной области