МНОГОМЕРНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК G06G7/26 G06G7/12 

Изобретение относится к функциональным преобразователям и может быть использовано в системах учета, планирования и оперативного управления при решении задач экономного расчета и хранения значений скользящего среднего для сигналов измерительной информации. Совокупность сигналов измерительной информации V^I, V^II, ..., V^N предварительно упорядочена, например, в порядке возрастания их среднего уровня, причем диапазоны их изменения близки друг к другу.

Известен одномерный преобразователь, реализованный в виде последовательного соединения блока задержки, первого интегратора и блока сравнения, второго интегратора, вход которого подключен к входу блока задержки и к входу преобразователя, причем выход второго интегратора подключен к второму положительному входу блока сравнения, выход которого подключен к выходу преобразователя. Одновременная обработка нескольких (N) сигналов возможна, если использовать N преобразователей [1].

Недостаток этого преобразователя - низкая точность преобразования.

Наиболее близким по технической сущности является одномерный преобразователь [2], реализованный в виде последовательного соединения блока задержки, блока сравнения и интегратора, причем вход блока задержки подключен к входу преобразователя и к второму положительному входу блока сравнения, а выход интегратора подключен к выходу преобразователя. Одновременная обработка N сигналов может быть осуществлена при использовании N преобразователей.

Недостаток указанного преобразователя - низкая точность преобразования. Повышение точности преобразователя связано с усложнением его структуры, особенно это относится к блоку задержки. Наибольшее распpостранение при реализации блока задержки получили схемы, соответствующие приближению Паде или Тейлора первого, второго и выше порядков. При этом увеличение степени соответствующего полинома приводит к существенному усложнению схемы. Так, например, схема воспроизведения звена запаздывания, соответствующая приближению Паде четвертого порядка, реализуется с помощью шести или семи операционных усилителей (см. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1987, с.113, рис.1.8.5, 1.8.6).

Цель изобретения - увеличение точности преобразователя сигналов измерительной информации.

Цель достигается тем, что в многомерный функциональный преобразователь, содержащий N блоков задержки, N блоков сравнения, N интеграторов,причем первый и второй входы i-го блока сравнения соединены соответственно с входом и выходом i-го блока задержки, выход i-го блока сравнения соединен с входом i-го интегратора, введены N сумматоров, N дополнительных блоков сравнения, первый и второй источники опорных напряжений, N блоков масштабирования, причем выход i-го интегратора через i-й блок масштабирования соединен с первым входом i-го сумматора, выход которого соединен с i-м выходом преобразователя, первый вход i-го дополнительного блока сравнения соединен с i-м входом преобразователя, а выход - с входом i-го блока задержки, второй вход первого дополнительного блока сравнения соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход i-го дополнительного блока сравнения, кроме первого, соединен с первым входом (i-1)-го дополнительного блока сравнения, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго источника опорного напряжения, а второй вход i-го сумматора, кроме первого, соединен с выходом (i-1)-го сумматора.

Введение совокупности новых блоков и связей позволяет при использовании тех же преобразователей, что и в прототипе, существенно повысить точность одновременной обработки нескольких сигналов измерительной информации за счет того, что на каждом слое многомерного функционального преобразователя диапазон изменений входного сигнала δ V^N для преобразователя приращений по крайней мере на порядок меньше, чем диапазон изменения сигнала V^N.

На чертеже представлена схема многомерного функционального преобразователя, где приняты следующие обозначения:
V^o - опорный входной сигнал многомерного функционального преобразователя, поступающий на первый отрицательный вход первого дополнительного блока сравнения;
Y - опорный выходной сигнал многомерного функционального преобразователя, поступающий на первый вход первого сумматора;
V^I, V^II, ..., V^N - входные сигналы многомерного функционального преобразователя;
- приращения входных сиг-
налов на первом, втором и
N-м слоях многомерного
функционального преобра-
зователя;
δ Y^I, δ Y^II, ..., δ Y^N - выходные сигналы масштабирующих блоков соответственно первого, второго и N-го слоев преобразователя;
Y^I, Y^II, ..., Y^N - выходные сигналы многомерного функционального преобразователя.

Многомерный функциональный преобразователь содержит второй источник 1 постоянного сигнала, первый источник 2 постоянного сигнала, первый дополнительный блок 3 сравнения, первый блок 4 задержки, первый блок 5 сравнения, первый интегратор 6, первый масштабирующий блок 7, первый сумматор 8, второй дополнительный блок 9 сравнения, второй блок 10 задержки, второй блок 11 сравнения, второй интегратор 12, второй масштабирующий блок 13, второй сумматор 14, N-й дополнительный блок 15N сравнения, N-й блок 16N задержки, N-й блок 17N сравнения, N-й интегратор 18N, N-й масштабирующий блок 19N, N-й сумматор 20N.

Входные сигналы измерительной информации V^I, V^II, ..., V^N поступают соответственно на первый, второй и N-й слои многомерного функционального преобразователя. Предварительно эти сигналы упорядочены, например, в порядке возрастания их средних уровней
V_ср^I < V_ср^II < V_ср^N.

Сигнал V^I поступает на второй положительный вход первого дополнительного блока 3 сравнения, где, сравниваясь с поступающим по первому отрицательному входу с опорным сигналом δ V^o, формируемым с помощью второго источника 1 постоянного сигнала, вырабатывает на своем выходе сигнал разности δ V^I = V^I - V_o^o. Сигнал δ V^I подается на второй положительный вход первого блока 5 сравнения и через первый блок 4 задержки, спустя время, равное интервалу отсечки τ_от, подается на первый отрицательный вход первого блока 5 сравнения. В результате на выходе блока 5 формируется сигнал δV^-1(1-e) , который поступает на вход первого интегратора 6. Выходной сигнал первого интегратора 6, равный 1-lV^I , где с - скорость интегрирования, поступает на вход первого масштабирующего блока 7, где он умножаетcя на постоянную величину, равную , формируя тем самым на своем выходе сигнал 1-lV^I ,о скользящем среднем в диапазоне изменения приращений δ V^I. Этот сигнал поступает на второй вход первого сумматора 8, где суммируется с опорным сигналом Y^o, формируемого с помощью первого источника 2 постоянного сигнала, и вырабатывает на выходе сумматора 8 и соответственно на выходе первого слоя многомерного функционального преобразователя сигнал
Y^I= Y^o + 1-lV^I, что соответствует скользящему усреднению сигнала V^I при условии, что первый источник 2 постоянного сигнала формирует на своем выходе сигнал Y^o, связанный с сигналом V^o соотношением
Y^o = CV^o.

Одновременно с сигналом V^I на второй вход многомерного функционального преобразователя и соответственно на второй положительный вход второго дополнительного блока 9 сравнения поступает сигнал V^II. Из этого сигнала вычитается сигнал V^I, который с первого входа многомерного функционального преобразователя подается на первый отрицательный вход блока 9 сравнения, формируя на его выходе сигнал разности δ V^II = V^II - V^I. Этот сигнал поступает на вход цепочки, состоящей из второго блока 10 задержки, второго блока 11 сравнения, второго интегратора 12, второго масштабирующего блока 13, где преобразуется по той же схеме, что и на первом слое многомерного функционального преобразователя, и тем самым формирует на выходе второго масштабирующего блока 13 сигнал
δY^II = 1-lV^II.

Этот сигнал поступает на второй вход второго сумматора 14, где суммируется с сигналом Y^I, который, в свою очередь, поступает на первый вход второго сумматора 14 с первого выхода многомерного функционального преобразователя. Таким образом, на выходе второго сумматора 14 и соответственно на выходе второго слоя многомерного функционального преобразователя формируется сигнал, равный
Y^II = Y^I+ 1-lV^II, что соответствует скользящему усреднению сигнала V^II.

Аналогично осуществляется обработка сигнала V на следующих, в том числе и последнем N-м, слоях многомерного функционального преобразователя. Здесь, на выходе N-го дополнительного блока 15 N сравнения формируется сигнал разности δ V^N = V^N - V^N-1 путем вычитания из сигнала V^N, поступающего по N-му входу многомерного функционального преобразователя, на второй положительный вход N-го дополнительного блока 15 N сравнения,сигнала V^N-1, подаваемого на первый отрицательный вход N-го дополнительного блока 15 N сравнения с (N-1)-го входа многомерного функционального преобразователя. В конечном итоге, на выходе N-го слоя многомерного функционального преобразователя формируется сигнал
Y^N = Y^N-1+ 1-lV^N, что соответствует скользящему усреднению на интервале τ_от сигнала V^N.

Описанный многомерный функциональный преобразователь построен на базе аналоговых элементов, однако все вышеизложенное является справедливым и для случая многомерного функционального преобразователя, построенного с использованием цифровых элементов ограниченной разрядности. Кроме того, такой преобразователь является работоспособным не только для случая, когда преобразование сигнала на каждом слое осуществляется с помощью скользящего среднего, но и для любых других преобразований.

Наличие в устройстве двух источников постоянного сигнала, нескольких блоков сравнения и нескольких сумматоров позволяет организовать обработку входных сигналов V^N на каждом слое в приращениях по отношению к входным сигналам V^N-1 предыдущего слоя, что в конечном итоге значительно повышает точность их преобразования.

Для доказательства этого конкретизируют условия функционирования преобразователя-прототипа и предлагаемого многомерного функционального преобразователя.

Входные сигналы V^I, V^II, ..., V^N обоих преобразователей упорядочены в порядке возрастания их средних уровней. Сигнал V^o характеризуется базовым уровнем сигнала V^I, ему соответствует сигнал Y^o.

Диапазон изменения сигналов δ V^N и δ Y^N (N=) существенно (по крайней мере на порядок) меньше диапазона изменения сигналов V^N и Y^N((N = 1,)) (1).

Оператор текущего среднего, реализуемый как преобразователем-прототипом, так и предлагаемым многомерным функциональным преобразователем, обозначают через (B(S) и считают, что он реализуется с ошибкой таким образом, что модуль амплитудно-фазовой характеристики его может меняться в диапазоне
В(ω) ± Δ В(ω ).

Ошибка ε _Y при преобразовании сигналов δ V с помощью оператора скользящего среднего полностью определяется величиной Δ В(ω ).

Преобразование В(S) намного сложнее операций суммирования и вычитания. Поэтому принимают условие
ε_C ≈ ε_V << ε _Y , (2) где ε_C, ε_V - соответственно ошибка преобразования сигнала в блоках суммирования и вычитания.

Для этих условий оценивают точность реализации сигналов Y^I, Y^II, ..., Y^N с помощью преобразователя-прототипа и предлагаемого многомерного функционального преобразователя.

Для преобразователя-прототипа выходной сигнал для любого автономного "слоя" равен
Y^N = V^N{B(S) + Δ B(S)} = V^N˙B(S) +
+ V^N ˙Δ B(S) = V^N˙B(S) + ε ^N, (3) где ε ^N = V^N + Δ B(S). (4)
Для предлагаемого многомерного функционального преобразователя выходной сигнал равен
для первого слоя
Y^I = Y^o + δ V^I˙B(S) + ε ^l, где ε ^I = δ V^I + Δ B(S) + ε_V^I(B(S) + Δ B(S)) + ε _C^I,
для второго слоя
Y^II = Y^o + {V^II - V^o}˙B(S) + ε ^II, где ε ^II = (δ V^I + δ V^II) Δ B(S) + (ε_V^I+ ε_V^II) x x {(B(S) + Δ B(S)} + (ε _C^I + ε _C^II),
Для N-го слоя
Y^N = Y^o + {V^N - V^o} ˙B(S) + ε^N , где ε^N= ΔB(S)Vⁱ+{B(S)+ΔB(S)}· + εic

Учитывая условие (3) получается, что для предлагаемого многомерного функционального преобразователя ошибка ε ^N для последнего N-го слоя будет наибольшей по отношению к другим слоям и определяться составляющей ε _Y, т. е.

ε^N= ΔB(S)Vⁱ. (6)
Сравнивая выражения (4) и (6) отмечают, что, если ошибка ε ^N для преобразователя-прототипа зависит от абсолютного значения входного сигнала V^N, то для предлагаемого многомерного функционального преобразователя - от суммы приращений всех входных сигналов, т.е. Vⁱ . Учитывая условия (1), отмечают, что для первых нескольких слоев предлагаемого преобразователя ошибка реализации заданного преобразования существенно меньше, чем для преобразователя-прототипа. Условие практической применимости предлагаемого преобразователя с точки зрения точности его реализации по сравнению с прототипом выглядит следующим образом
Vⁱ< V^N, (7)
В предположении, что δ Vⁱ одинаковы для каждого слоя, выражение (7) записывается
N δ V < V^N.

Тогда число слоев N, выходные сигналы которых по точности предпочтительней по отношению к соответствующим выходным сигналам прототипа, определяются в соответствии с выражением
N < .

Так, например, если принять, что N = 3 и записать в соответствии с условием (1), что δ V^N = 0,1V^N, то максимальная ошибка ε^III, имеющая место на третьем выходе многомерного функционального преобразователя по крайней мере в 3 раза меньше, чем ошибка на любом "слое" преобразователя-прототипа.

Изобретение относится к функциональным преобразователям и может быть использовано в системах учета, планирования и оперативного управления при решении задач экономного расчета и хранения значений скользящего среднего для сигналов измерительной информации. Изобретение позволяет увеличить точность преобразователя сигналов измерительной информатики, т.е. повысить точность одновременной обработки нескольких сигналов за счет того, что на каждом слое многофункционального преобразователя диапазон изменений входного сигнала SV^N для преобразователя приращений по крайней мере на порядок меньше, чем диапазон изменения сигналов V^N . Для этого схема устройства составлена из нескольких преобразователей приращения, каждый из которых состоит из масштабирующего блока (7, 13, 19 N), блока задержки (4, 10, 16 N), блока сравнения (5, 11, 17N), интегратора (6, 12, 18 N), причем вход каждого из блоков задержки подключен к второму входу соответствующего блока сравнения. 1 ил.

МНОГОМЕРНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий N блоков задержки, N блоков сравнения, N интеграторов, причем первый и второй входы i-го блока сравнения соединены соответственно с входом и выходом i-го блока задержки, выход i-го блока сравнения соединен с входом i-го интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены N сумматоров, N дополнительных блоков сравнения, первый и второй источники опорных напряжений, N блоков масштабирования, причем выход i-го интегратора через i-й блок масштабирования соединен с первым входом i-го сумматора, выход которого соединен с i-м выходом преобразователя, первый вход i-го дополнительного блока сравнения соединен с i-м входом преобразователя, а выход - с входом i-го блока задержки, второй вход первого дополнительного блока сравнения соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход i-го дополнительного блока сравнения, кроме первого, соединен с первым входом (i-1)-го дополнительного блока сравнения, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго источника опорного напряжения, а второй вход i-го сумматора, кроме первого, - с выходом (i-1)-го сумматора.