Регулирование при наличии шумов

Наличие высокочастотных шумовых составляющих в измерительном сигнале приводит к случайным колебаниям исполнительного механизма системы, что, в свою очередь, увеличивает дисперсию ошибки регулирования, снижает точность регулирования. В некоторых случаях сильные шумовые составляющие могут привести систему к неустойчивому режиму работы (стохастическая неустойчивость).
В промышленных системах в измерительных цепях часто присутствуют шумы, связанные с частотой питающей сети (сетевые наводки). В связи с этим важной задачей является правильная фильтрация измерительного сигнала, а также выбор нужного алгоритма и параметров работы регулятора.
Для фильтрации сигналов используются фильтры низкой частоты высокого порядка (5 - 7-й порядки), имеющие большую крутизну спада. Такие ФНЧ иногда встраиваются в нормирующие преобразователи. Кроме этого, для подавления сетевых наводок (50 Гц в России, 60 Гц в США) используют т.н. фильтр-пробку или заграждающий фильтр. Следует учитывать, что заграждающий фильтр рекомендуется применяют только для быстродействующих систем, т.е. систем, полоса пропускания которых более 50 Гц.
Таким образом, главной задачей регулятора является компенсация низкочастотных возмущений. При этом, с целью получения минимальной дисперсии ошибки регулирования, высокочастотные помехи должны быть отфильтрованы.
Однако, в общем случае, эта задача противоречивая, т.к. спектры возмущения и шума могут накладываться друг на друга. Это противоречие разрешается с помощью теории оптимального стохастического управления, которая позволяет добиться хорошего быстродействия в системе при минимально возможной дисперсии ошибки регулирования.
Для уменьшения влияния помех в практических ситуациях применяются два способа, основанных на:
1) уменьшении коэффициента усиления регулятора , т.е., фактически, переход на интегральный закон регулирования, который малочувствителен к шумам;
2) фильтрации измеряемого сигнала.
Так, например, в пневматической системе "СТАРТ" существует специальный прибор ПФ 3.1 (прибор функциональный), называемый блоком обратного предварения, который, фактически является настраиваемым фильтром низкой частоты. Постоянная времени прибора ПФ 3.1 изменяется в диапазоне от 3 секунд до 10 минут. Передаточная функция такого фильтра имеет вид:

.

Постоянная времени настраивается в зависимости от спектра помех. По данным одной из работ, применение блока обратного предварения позволило увеличить в 6 раз при сохранении прежней дисперсии ошибки регулирования и сохранении устойчивой работе системы.
В общем случае, для многомерных систем, задача оптимальной фильтрации решается с помощью фильтра Калмана. Этот фильтр, наряду с получением оценок вектора состояния объекта, обеспечивает минимальную дисперсию всех его компонентов. Однако, для расчета параметров фильтра, необходимо знание статистических характеристик шумов, что в реальных условиях затруднено. Несмотря на это, в современных бортовых системах управления используются специальные измерители статистических характеристик помех, что позволяет использовать и непрерывно уточнять параметры фильтра Калмана.
В общем случае, с целью снижения уровня помех, необходимо также правильно выбирать места установки датчиков и применять экранирование измерительных линий.