Top.Mail.Ru
Победить в СВО

Выделите текст, чтобы комментировать.

Описаны методы преобразования Фурье и быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые позволяют представлять сигналы в частотной области и существенно упрощают их анализ и обработку. 

Рассмотрены различные типы фильтрации сигналов, включая низкочастотные, высокочастотные, полосовые и режекторные фильтры, а также алгоритмы их реализации, такие как фильтры с конечной (FIR) и бесконечной импульсной характеристикой (IIR).

Основные алгоритмы обработки сигналов в системах автоматического управления: преобразование Фурье

Одним из наиболее распространенных методов обработки сигналов является преобразование Фурье. Оно позволяет представить сигнал в частотной области, что существенно упрощает анализ и обработку данных. Преобразование Фурье используется для фильтрации сигналов, выявления частотных составляющих и устранения шумов.

Математически, прямое преобразование Фурье для непрерывного сигнала ?(?)x(t) определяется как: 
?(?)=∫−∞∞?(?)?−?2?????X(f)=∫−∞∞ x(t)e−j2πftdt

Обратное преобразование Фурье позволяет восстановить оригинальный сигнал: ?(?)=∫−∞∞?(?)??2?????x(t)=∫−∞∞ X(f)ej2πftdf

Для дискретных сигналов используется дискретное преобразование Фурье (ДПФ): ?(?)=∑?=0?−1?(?)?−?2???/?X(k)=∑n=0N−1 x(n)e−j2πkn/N 
и обратное ДПФ: ?(?)=1?∑?=0?−1?(?)??2???/?x(n)=N1 ∑k=0N−1 X(k)ej2πkn/N

Быстрое преобразование Фурье

Для повышения вычислительной эффективности используется быстрое преобразование Фурье (БПФ), которое является оптимизированной версией ДПФ. Алгоритм БПФ существенно снижает количество операций, необходимых для вычисления преобразования Фурье, с ?(?2)O(N2) до ?(?log⁡?)O(NlogN), где ?N — число точек сигнала.

Фильтрация сигналов в системах автоматического управления

Фильтрация сигналов направлена на выделение полезной информации и подавление помех. Основные типы фильтров включают низкочастотные (НФ), высокочастотные (ВФ), полосовые и режекторные фильтры.

  • Низкочастотные фильтры пропускают сигналы с частотами ниже определенной границы и подавляют более высокие частоты.
  • Высокочастотные фильтры работают наоборот, пропуская высокие частоты и подавляя низкие.
  • Полосовые фильтры пропускают сигналы в определенном диапазоне частот.
  • Режекторные фильтры подавляют сигналы в определенном диапазоне частот, пропуская остальные.

Фильтры могут быть реализованы с использованием различных алгоритмов, таких как фильтры с конечной импульсной характеристикой (FIR) и фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (IIR).

Вейвлет-преобразование

Вейвлет-преобразование является мощным инструментом для анализа нестационарных сигналов. В отличие от преобразования Фурье, которое использует синусоидальные функции, вейвлет-преобразование применяет вейвлеты — функции, локализованные как в времени, так и в частоте. Это позволяет анализировать сигналы с высоким разрешением как по времени, так и по частоте.

Непрерывное вейвлет-преобразование определяется как: ?(?,?)=∫−∞∞?(?)?∗(?−??)??W(a,b)=∫−∞∞ x(t)ψ∗(at−b)dt где ψ —материнский вейвлет, a — масштабный параметр, b — временной параметр, а ∗∗ обозначает комплексное сопряжение.

Дискретное вейвлет-преобразование используется для цифровых сигналов и требует дискретизации по масштабам и временам.

Методы анализа сигналов в системах автоматического управления

Корреляционный анализ

Корреляционный анализ используется для выявления взаимосвязей между различными сигналами. Основные показатели корреляции включают автокорреляционную функцию, которая анализирует внутреннюю структуру одного сигнала, и взаимокорреляционную функцию, которая оценивает взаимосвязь между двумя сигналами.

Спектральный анализ

Спектральный анализ позволяет изучить частотное содержание сигналов. Основные методы спектрального анализа включают периодограмму и метод многооконного спектрального оценивания. Эти методы позволяют выявить доминирующие частоты и спектральную плотность мощности сигнала.

Анализ вейвлетов

Анализ вейвлетов используется для изучения временных изменений в частотном содержании сигналов. Вейвлет-анализ позволяет выявить кратковременные изменения и особенности сигнала, которые могут быть незаметны при использовании других методов.

Применение алгоритмов в системах автоматического управления

Управление движением

В системах управления движением, таких как автопилоты самолетов и системы управления роботами, обработка сигналов играет ключевую роль. Алгоритмы фильтрации и преобразования Фурье используются для подавления шумов и улучшения качества сигналов от датчиков, что обеспечивает точное управление движением.

Энергетические системы

В энергетике алгоритмы обработки сигналов используются для мониторинга и управления электрическими сетями. Спектральный анализ позволяет выявить отклонения в работе генераторов и трансформаторов, а фильтрация сигналов помогает устранить помехи и повысить надежность систем управления.

Телекоммуникационные системы

В телекоммуникациях методы обработки сигналов применяются для улучшения качества передачи данных. Фильтрация сигналов и вейвлет-преобразование используются для подавления шумов и восстановления искаженных сигналов.

Математические алгоритмы для обработки и анализа сигналов играют ключевую роль в обеспечении надежности и эффективности систем автоматического управления. Преобразование Фурье, фильтрация сигналов, вейвлет-преобразование и корреляционный анализ являются основными инструментами, которые позволяют улучшить качество сигналов и точность управления. Применение этих алгоритмов в различных отраслях, таких как авиация, энергетика и телекоммуникации, демонстрирует их важность и эффективность в современных технологиях. 

Список литературы:

Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. «Цифровая обработка сигналов». Прентис-Холл, 1975.

Проакис Дж. Г., Манолакис Д. Г. «Цифровая обработка сигналов: принципы, алгоритмы и приложения». Прентис Холл, 1996.

Маллат, С. «Вейвлет-тур по обработке сигналов». Академик Пресс, 1999.

Хайкин С. «Теория адаптивного фильтра». Прентис Холл, 2002.

 

Автор: Панков Д.А.,  студент  ф-та «Оснащение средств автоматизации»,

Научный руководитель: И.М. Алексеевич, Нефтекамский Машиностроительный Колледж

Wsem обо Всём
Автор: Панков Д.А.
Последние публикации автора
Комментируйте


Новые рассекреченные файлы Эпштейна подтвердили слова депутата Фёдорова о причастности Билла Гейтса к пандемии COVID-19

Билл Гейтс обсуждал планы по «моделированию пандемии» с Эпштейном в 2017 году, следует из новых рассекреченных файлов Эпштейна.

Электронное письмо от 3 марта 2017 года, адресованное непосредственно основателю Microsoft Биллу Гейтсу, показало, что ряд важных тем, от моделирования пандемий до нейротехнологического оружия, имеющего отношение к национальной безопасности, обсуждался за целых три года до пандемии коронавируса, охватившей весь мир.Перевод копии письма, о... Читать 2 мин.

Новые рассекреченные файлы Эпштейна подтвердили слова депутата Фёдорова о причастности Билла Гейтса к пандемии COVID-19

Впервые Россия и США останутся без основополагающего документа, который бы ограничивал и вводил контроль за этими арсеналами

Впервые Россия и США, которые обладают крупнейшими ядерными арсеналами, останутся без основополагающего документа, который бы ограничивал и вводил контроль за этими арсеналами. Это очень плохо для стратегической безопасности — Дмитрий Песков.

Отвечая на вопросы журналистов, пресс-секретарь Кремля заявил, что инициатива России о продлении ограничений по ДСНВ по-прежнему «на столе», ответ американцев по-прежнему не был получен. Песков также сообщил, что состав российской делегации на переговорах по Украине в Абу-Даби, которые пройдут 4–5 февраля, останется прежним. Делегацию возглавит начальни... Читать 1 мин.

Впервые Россия и США останутся без основополагающего документа, который бы ограничивал и вводил контроль за этими арсеналами

Заявления МИД РФ по ситуации в мире

Заявления МИД РФ по ситуации с похищением Мадуро, про военно-биологическую деятельность Запада, Гренландию и другие.

▪️ РФ расценивает как угрозу военно-биологическую деятельность Запада, в том числе в непосредственной близости от российских границ. ▪️ Реваншистам на Западе следует исходить из того, что иностранные контингенты при их размещении на Украине станут законными целями ВС РФ. ▪️ Киев в тесной координации с британцами и еэсовцами в очередной ра... Читать 1 мин.

Заявления МИД РФ по ситуации в мире

Трамп о разговоре с Владимиром Путиным

Между Зеленским и Путиным существует огромная ненависть.

Огромная ненависть. Я имею в виду, это печально, но это заняло больше времени, чем мы думали. Я действительно позвонил президенту Путину, и он согласился не бить по Киеву. У них такая же холодная волна, как и у нас. Может быть, немного другая, потому что она довольно далеко, но это примерно то же самое. А Украина — очень холодная стр... Читать 1 мин.

Трамп о разговоре с Владимиром Путиным

SpaceX намерена создать в космосе миллионную группировку центров обработки данных

SpaceX намерена создать в космосе миллионную группировку центров обработки данных для выполнения сложных вычислительных задач в области искусственного интеллекта.

«Это первый шаг к созданию цивилизации уровня Кардашева II, способной использовать всю мощь Солнца, одновременно поддерживая приложения на основе искусственного интеллекта для миллиардов людей уже сегодня и обеспечивая многопланетное будущее человечества среди звезд», — цитирует Bloomberg заявление SpaceX, поданное в Федеральную комиссию связи ... Читать 1 мин.

SpaceX намерена создать в космосе миллионную группировку центров обработки данных
Редакция портала: privet@wsem.ru
Создайте канал и публикуйте статьи и новости бесплатно!
Евгений Федоров
Евгений Федоров
30.01.2026
ИИ на орбите: зачем Китай и США запускают нейросети в космос
На орбите Земли началась новая технологическая гонка.
БЕЛРУСИНФО
Белрусинфо
02.02.2026
Россия не приемлет размещение военных ЕС или НАТО на Украине
Об этом заявил замглавы МИД Александр Грушко.
Редакция «Всем!ру»
Михаил Советский
02.02.2026
Что пропагандирует Ельцин-центр со дня своего основания и почему он до сих пор работает?
Ельцин - центр, это ещё одно необъяснимое с точки зрения здравого смысла явление в российс...
Wsem обо Всём
Агаев Джаваншир Агарази оглы
02.02.2026
Личная история ветерана СВО
Своей историей поделился Агаев Джаваншир Агарази оглы.
Бахтина Юлия
Бахтина Юлия, Финансовый университет при Правительстве РФ
31.01.2026
Фасилитация в аудитории: когда преподаватель перестаёт говорить и начинает слушать
Разбираемся, как переход от роли «говорящей головы» к роли архитектора учебного процесса м...
Редакция «Всем!ру»
Рыбарь
29.01.2026
О визите Аль-Джуляни в Россию: чего ждать в отношениях с сирийским режимом
Пока в СМИ обсуждают возможность атаки США на Иран, на переговоры с Владимиром Путиным при...