DE3814842A1 - Selbstanpassendes filter fuer messeinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung ist vorwiegend bestimmt für den Einsatz in Ver­ bindung mit Meßeinrichtungen an Bord von seegehenden Schiffen o. ä.

Es ist bekannt, für Meßzwecke Tiefpaßfilter bzw. Mittelwert­ bildner einzusetzen. Nach der DE-AS 21 18 812 ist eine Ein­ richtung zur Mittelwertbildung bekannt. Mit dieser bekannten Einrichtung wird die Zeitkonstante in Abhängigkeit vom Charak­ ter des Eingangssignals gestellt. So ist vorgesehen, daß ein Differenzierglied auf ein Integrierglied arbeitet. Dadurch wird eine Stellung der Zeitkonstanten des Integriergliedes er­ reicht und die Zeitkonstante des Filters an die Störung des Eingangssignals angepaßt. Damit tritt im stationären Betriebs­ zustand eine Glättung ein. Änderungen des Eingangssignals aber bewirken in jedem Falle eine Änderung des Ausgangssignals nach einer e-Funktion. Der Verlauf des Ausgangssignals nach einer e-Funktion aber ist von Nachteil für solche Einrichtungen, die ein sehr schnelles Reagieren auf Änderungen verlangen. Dieser Mangel der relativ langen Anpassungszeit wird nach der DE-AS 24 48 197 insofern abgeschwächt, indem eine Schwellwertstufe vorgesehen ist. Über diese Schwellwertstufe wird die Signal­ differenz zwischen Ein- und Ausgangssignal an einen Integra­ tionsverstärker geführt. Das führt dazu, daß das Ausgangssignal dem Eingangssignal mit großer Steilheit folgt. In der Nähe des Endwertes, also kurz vor dem Erreichen desselben, erfolgt das Einlaufen der Signalkurve wiederum nach einer e-Funktion. Der Mangel der relativ langen Anpassungszeit, der seine Ursache in der e-Funktion hat, konnte verringert werden. Die erzielte Ver­ ringerung des Einflusses der e-Funktion und die sich daraus er­ gebende Verringerung der Zeitkonstanten ist nicht ausreichend für Hochgenaumessungen, denn die letzte Restabweichung wird weiterhin nach einer e-Funktion abgebaut. Die Größe der Rest­ abweichung, die bei Hochgenaumessungen bedeutungsvoll ist, ist abhängig von einer strörungsabhängig gestellten Totzone. Nach der DE-AS 27 12 303 ist eine Anordnung bekannt, die zur Unter­ drückung des verrauschten Störanteiles von Meßsignalen mit einem nichtlinearen Übertragungsglied mit Totzone ausgestat­ tet ist. Die Unterdrückung des Störanteils erfolgt über ein Integrationsglied mit einstellbarer Zeitkonstanten. Das Aus­ gangssignal des Integrationsgliedes wird auf das Eingangssi­ gnal zurückgeführt. Durch das nichtlineare Übertragungsglied wird eine Anpassung des Ausgangssignales auf Änderungen des Eingangssignales erreicht. Voraussetzung dabei ist, daß die eingestellte Breite der Totzone der anliegenden Störsignal­ amplitude entspricht. Das stellt insofern einen Mangel dar, daß nämlich bei dem Meßvorgang von einer quasi-konstanten Störsignalamplitude ausgegangen werden muß. Dieser Mangel wirkt sich dann noch besonders störend aus, wenn die Meßsi­ gnale unterschiedlichen Beeinträchtigungen ausgesetzt sind. Das ist dann der Fall bei Messungen an Bord von fahrenden Schiffen, da dort von der Seegangsfolge die unterschiedlichen Störgrößen ausgelöst werden. Daher kann man in solchen Fällen auch nicht mit einer fest eingestellten Totzonenbreite arbei­ ten. Eine automatische Anpassung der einstellbaren Totzone ist nach der DE-OS 32 19 221 bekannt. Das bekannte Verfahren sieht vor, die Einstellung der Totzone eines nichtlinearen Übertra­ gungsgliedes zum Zwecke der Anpassung an die Amplitude des dem Eingangssignal überlagerten Störsignals schrittweise vorzuneh­ men. Die Totzone wird in zyklischer Folge mit einer kleinen Zeitkonstanten schrittweise vergrößert und dann mit einer kleinen Zeitkonstanten wieder verkleinert. Dieser Anpassung schließt sich ein weiterer Schritt dann an, wenn ein weiteres Störsignal unterschiedlicher Polarität in einer Zeit auftritt, die die Periodendauer überschreitet. Die Anordnung zur Errei­ chung der verfahrensgemäßen Ablauffolge sieht die Einführung weiterer Zeitglieder und deren Verknüpfungen vor. Das aber hat zur Folge, daß der technische und der ökonomische Aufwand an­ steigen.

Obwohl mit dem nach der DE-OS 32 19 221 bekannten Verfahren eine relativ gute Anpassung an die Veränderungen der Amplitude des Störsignales möglich ist, besitzt es doch einen Nachteil. Der Nachteil ergibt sich daraus, daß die Frequenzänderungen des Störsignals keine Berücksichtigung finden. Das ergibt sich aus den Zeitbedingungen. Auch können große und häufige Ände­ rungen der Amplitude nicht in vollem Umfang erfaßt werden. Das aber spielt an Bord von fahrenden Schiffen eine besonde­ re Rolle. An Bord von seegehenden Schiffen treten noch beson­ dere Störsignale auf. Sie haben ihre Ursache in der Seegangs­ folge. Diese stellt eine Komplexgröße dar. In diese Komplex­ größe gehen u. a. ein die Dünnung, die Windsee, die Eigenbewe­ gung des Schiffes, die unterschiedlichen Wirkeinrichtungen die ser Kräfte im Hinblick auf das Schiff. Im Gegensatz zu den bekannten technischen Störgrößen wechselt bei denen Störgrö­ ßen, die aus der Seegangsfolge abgeleitet sind, die Amplitude des Störsignals. Dasselbe gilt auch für die Frequenz. Das ist statistisch bedingt. Da Einflüsse solcherart bei Langanlagen nicht auftreten, so sind auch bei den bekannten Einrichtungen und Verfahren keine Vorkehrungen zur Vermeidung derartiger Einflüsse vorgesehen. Demzufolge sind diese auch nicht geeig­ net für einen Einsatz an Bord von fahrenden, seegehenden Schif­ fen. Ihr Einsatz an Bord würde unter Beachtung der Besonderhei­ ten des Schiffsbetriebes zu Ergebnissen führen, die nur bedingt der Realität angenähert sind. Das wiederum wirkt einschränkend darauf, den Maschinenbetrieb mit hohem wirtschaftlichem Vorteil zu fahren.

Mit der Erfindung soll eine wirtschaftliche Betriebsführung für den Maschinenbetrieb an Bord fahrender seegehender Schiffe er­ reicht werden, indem eine exaktere Erfassung der anliegenden Be­ triebszustände ermöglicht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein selbstanpassendes Filter zu schaffen, daß geeignet ist, den Einfluß der Seegangs­ folge auf die Meßergebnisse weitgehend zu beschränken.

Erfindungsgemäß sind zwei Tiefpaßfilter in Reihe geschaltet, wo­ bei das erste Tiefpaßfilter aus einem Integrator mit negativer Rückführung und einer zum Einsatzsignal des Integrators parallel­ geschalteter Adaptionsschaltung besteht, deren Ausgang über ein Additionsglied am Integratoreingang anliegt, während das zweite Tiefpaßfilter aus einem Integrator mit negativer Rückführung und einstellbarer Zeitkonstanten besteht, dem zum Zwecke der Einstellung der Zeitkonstanten ein vom Eingangssignal des Inte­ grators beaufschlagte Adaptionsschaltung aufgeschaltet ist, an deren zweiten Ausgang ein Entscheidungssignal anliegt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die erste Adaptionsschaltung aus einem Verstärker mit einstellbarer Tot­ zone und davon abhängiger Anfangshöhe, dessen Stelleingang be­ legt ist von dem Ausgang eines vom Eingangssignal der Adaptions­ schaltung beaufschlagten Maximalwertspeichers, dessen Rücksetz- und Ausleseeingang mit einer Steuerlogik verbunden ist, der zum Zwecke ihrer Aktivierung bei beiderseits auftretenden Grenzwert­ überschreitungen ein vom Eingangssignal der Adaptionsschaltung beaufschlagter Schwellwertschalter vorgeschaltet ist, der eine vom Maximalwertspeicherausgang beeinflußte, einstellbare Tot­ zone besitzt, die störungsabhängig kleiner ist, als jene des Verstärkers.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerlogik zeitabhängig aktivierbar ausgebildet.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die zweite Adaptions­ schaltung, deren Eingangssignal an einem ersten Integrator als auch über ein Quadrierglied an einen zweiten Integrator geführt ist, wobei die Integratorausgänge mit einem Divisionsglied ver­ knüpft sind, das der Adaptionsschaltung Ausgang darstellt.

Nach einem noch weiteren Merkmal der Erfindung ist des zweiten Integrators Ausgang auch an einen Schwellwertschalter geführt, dem parallelgeschaltet ein vom Ausgangssignal der Adaptionsschal­ tung belegter zweiter Schwellwertschalter ist, wobei die Schwell­ wertschalterausgänge über ein UND-Glied verknüpft sind.

Die Erfindung sieht das Zusammenarbeiten zweier in Reihe ge­ schalteter Tiefpaßfilter vor. Das erste Tiefpaßfilter arbeitet mit der Signaldifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, die innerhalb des Filters verarbeitet wird. Das verarbeitete Si­ gnal wird einem zweiten Tiefpaßfilter zugeführt und dabei wird das zweite Tiefpaßfilter über Adaptionsanordnungen gestellt. Dadurch wird eine sehr gute Selbstanpassung ermöglicht.

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher er­ läutert werden. In den Zeichnen zeigt

Fig. 1 eine Prinzipschaltung des selbst­ anpassenden Filter,

Fig. 2 eine Prinzipanordnung der ersten Adaptionsschaltung, und

Fig. 3 eine Prinzipschaltung der zweiten Adaptionsschaltung.

Die aus zwei in Reihe geschalteten Tiefpaßfiltern 1, 2 bestehende Anordnung ist aus Integratoren aufgebaut und wird von dem auszu­ wertenden Signal beaufschlagt. Die Differenz zwischen Ein- und Ausgangssignal des ersten Tiefpaßfilters 1 wird auf eine Adap­ tionsschaltung 3 geführt. Sie besitzt einen Verstärker 4 mit ein­ stellbarer Totzone und einstellbarer Anfangshöhe. Das Ausgangs­ signal des Verstärkers 4 wird wieder zur Differenz zwischen Ein- und Ausgangssignal des ersten Tiefpaßfilters 1 addiert. Das Differenzsignal wird außerdem auf eine interne Adaptions­ schaltung 5 geführt, die für eine Anpassung der Totzone und der Anfangshöhe des Verstärkers 4 an das Rauschen sorgt.

Eingang des zweiten Tiefpaßfilters 2 liegt das Ausgangssi­ gnal des ersten Tiefpaßfilters 1 an. Auch beim zweiten Tiefpaßfil­ ter 2 wird die Differenz zwischen dem Eingang- und dem Ausgangs­ signal erfaßt. Diese Differenz wird auf eine zweite Adaptions­ schaltung 6 geführt. Über diese Adaptionsschaltung 6 erfolgt die Anpassung der Zeitkonstanten des zweiten Tiefpaßfilters 2 an die Störwertamplitude.

Das erste Tiefpaßfilter 1 wird mit einer solchen Zeitkonstanten eingestellt, daß die durch Seegang und andere Einflüsse bewirkten Störungen erheblich unterdrückt werden. Dadurch erscheint im stationären Fall am Ausgang des ersten Tiefpaßfilters 1 bereits ein dem Mittelwert des Eingangssignals entsprechend gut geglättetes Signal.

Die Totzone des Verstärkers 4, der Bestandteil der Adaptionsschal­ tung 3 des ersten Tiefpaßfilters 1 ist, ist so eingestellt, daß die Amplitude der vorhandenen Störwerte am Ausgang des Verstärkers 4 kein Signal liefert. Wenn sich aber der Mittelwert des Eingangs­ signals ändert, z. B. er erhöht sich, dann übersteigt das Diffe­ renzsignal den Wert der Totzone. Am Ausgang des Verstärkers 4 er­ scheint ein Signal, das vor dem Integrator 7 zu dem Differenz­ signal addiert wird. Die Verstärkung und die Anfangshöhe sind so bemessen, daß Änderung des Differenzsignals in einer Zeit­ einheit zu einer Änderung des Ausgangssignals des Integrators 7 und zwar um die Änderung des Eingangssignals führt.

Wenn sich die Größe des Rauschens ändert, was bei Seegang stän­ dig der Fall ist, wird die Totzonenbreite durch eine interne Adaptionsschaltung 5 automatisch an diese Änderung angepaßt. Diese interne Adaptionsschaltung 5 besteht aus den Baugruppen: Maximalwertspeicher 8, Schwellwertschalter 9 und Steuerlogik 10.

Der Maximalwertspeicher 8 besteht aus an sich bekannten Bau­ gruppen zur Betragsbildung, zur Erfassung und Speicherung des jeweils größten Eingangswertes sowie aus Baugruppen zum Aus­ lesen und gleichzeitigem Rücksetzen des Speichers. Die Ansteue­ rung der Baugruppen zum Auslesen und gleichzeitigem Rücksetzen des Speichers erfolgt, wenn die Amplitude des Störsignals wech­ selseitig den Schaltpunkt des Schwellwertschalters 9 überschrei­ tet bzw. nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit durch die Steuer­ logik 10. Dadurch wird der Schaltpunkt des Schwellwertschalters 9 auf die eingespeicherte maximale Amplitude der Störung einge­ stellt. Gleichzeitig wird der Maximalwertspeicher 8 zurückge­ setzt. Parallel dazu wird die Totzone des Verstärkers 4 neu ge­ stellt. Die Einstellung der Totzone ist bestimmt durch den Schaltpunkt des Schwellwertschalters 9, der um den jeweiligen Anfangswert des Verstärkers 4 erhöht wird.

Die Besonderheit der Seegangsfolge besteht darin, daß in unregel­ mäßigen Zeitabständen sehr große Erhöhungen der Amplitude auf­ treten. Sie können eine solche Höhe erreichen, daß die eingestellte Totzone überschritten wird, bevor die interne Adaptionsschaltung 5 wirksam wird. Dadurch stehen sie am Ausgang des ersten Tiefpaß­ filters 1 als kurzzeitige Störspitze an.

Die Einstellung des zum zweiten Tiefpaßfilters 2 gehörigen Inte­ grators 11 ist so gewählt, daß das Ausgangssignal einer Änderung des Eingangssignals schnell folgt. Die zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal auftretende Differenz ist an eine zwischen dem Eingang des Tiefpaßfilters 2 und dem Stelleingang des Inte­ grators 7 angeordnete Adaptionsschaltung 6 geführt. Die zum zweiten Tiefpaßfilter 2 gehörige Adaptionsschaltung 6 hat die Aufgabe, dessen Zeitkonstante zu stellen und zwar in Ahängig­ keit von der Änderung des Eingangssignals. Treten keine Verän­ derungen am Eingangssignal auf, dann wird die Zeitkonstante ver­ größert. Dadurch wird ein gut geglättetes Ausgangssignal erreicht. Das ist auch dann der Fall, wenn einmalige und kurzzeitige Stö­ rungen am Eingang des zweiten Tiefpaßfilters 2 auftreten. Bei weiteren Änderungen des Eingangssignals dagegen wird die Zeit­ konstante auf die Anfangseinstellung zurückgeführt. Damit wird eine gute Anpassung an den Mittelwert des Eingangssignals er­ reicht. Das geschieht dadurch, daß das Differenzsignal sowohl direkt als auch quadriert über jeweils einen Integrator 12, 13 an ein Divisionsglied 14 geführt ist. Je stärker der zu über­ wachende Prozeß vom stationärem Zustand abweicht, umso größer wird das Ausgangssignal 15, welches die Vorgabe für die Zeit­ konstante bildet.

Das Ausgangssignal 15 an sich und das quadrierte Abweichungs­ signal 16 werden über ihnen zugeordnete Schwellwertschalter 17, 18 an ein UND-Glied 19 geführt. Das Ausgangssignal 20 des UND-Glieds 19 liefert eine Aussage über den Zustand des Pro­ zesses, stationär oder instationär bei zulässiger oder unzu­ lässiger Streuung des Meßwertes.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
   1 Tiefpaßfilter
   2 Tiefpaßfilter
   3 Adaptionsschaltung
   4 Verstärker
   5 interne Adaptionsschaltung
   6 zweite Adaptionsschaltung
   7 Integrator
   8 Maximalwertspeicher
   9 Schwellwertschalter
  10 Verknüpfungslogik / Steuerlogik
  11 Integrator 2 zugeordnet
  12 Integrator 2′ zugeordnet
  13 Integrator 2′′ zugeordnet
  14 Divisionsglied
  15 Ausgangssignal
  16 Abweichungssignal
  17 Schwellwertschalter
  18 Schwellwertschalter
  19 UND-Glied
  20 Ausgangssignal

Claims (5)

1. Selbstanpassendes Filter für Meßeinrichtungen, bestehend aus Tiefpaßfiltern und nichtlinearen Übertragungsgliedern, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tief­ paßfilter (1, 2) in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Tiefpaßfilter (1) aus einem Integrator (7) mit negativer Rückführung und einer zum Eingangssignal des Integrators (7) parallelgeschalteter Adaptionsschaltung (3) besteht, deren Ausgang über ein Additionsglied am Integratoreingang anliegt, während das zweite Tiefpaßfilter (2) aus einem Integrator (11) mit negativer Rückführung und einstellbarer Zeitkonstanten besteht, dem zum Zwecke der Einstellung der Zeitkonstanten ein vom Eingangssignal des Integrators (11) beaufschlagte Adaptionsschaltung (6) aufgeschaltet ist, an deren zweiten Ausgang ein Entscheidungssignal anliegt.

2. Selbstanpassendes Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Adaptionsschal­ tung (3) aus einem Verstärker (4) mit einstellbarer Totzone und davon abhängiger Ausgangshöhe besteht, dessen Stellein­ gang belegt ist von dem Ausgang eines vom Eingangssignal der Adaptionsschaltung (3) beaufschlagten Maximalwertspeichers (8), dessen Rücksetz- und Ausleseeingang mit einer Steuer­ logik (10) verbunden ist, der zum Zwecke ihrer Aktivierung bei beiderseits auftretenden Grenzwertüberschreitungen ein vom Eingangssignal der Adaptionsschaltung (3) beaufschlagter Schwellwertschalter (9) vorgeschaltet ist, der eine vom Maxi­ malwertspeicherausgang (8) beeinflußte, einstellbare Totzone besitzt, die störungsabhängig kleiner ist, als jene des Ver­ stärkers (8).

3. Selbstanpassender Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (10) zeitabhängig aktivierbar ist.

4. Selbstanpassendes Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal der zweiten Adaptionsschaltung (6) an einem ersten Integra­ tor (12) als auch über ein Quadrierglied an einen zwei­ ten Integrator (13) geführt ist und die Integratorausgänge mit einem Divisionsglied (14) verknüpft sind, das der Adaptionsschaltung (6) Ausgang darstellt.

5. Selbstanpassendes Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß des zweiten Integrators (13) Ausgang auch an einen Schwellwertschalter (18) ge­ führt ist, dem parallelgeschaltet ein vom Ausgangssignal (20) der Adaptionsschaltung (6) beaufschlagter zweiter Schwellwertschalter (17) ist, wobei die Schwellwertschal­ terausgänge (17, 18) über ein UND-Glied (19) verknüpft sind.