ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1995 года по МПК H03K3/84 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для статистического моделирования потока заявок в системах массового обслуживания.

Известен генератор случайных импульсов, содержащий генератор равномерно распределенных случайных чисел, цифроаналоговый преобразователь, блок сравнения, блок ограничения длительности импульса, формирователь импульса, счетчик, элемент И, ключ, генератор экспоненциального напряжения.

Данное устройство позволяет моделировать широкий класс случайных потоков, относящихся к потокам Эрланга. При этом коэффициент вариации моделируемых потоков должен быть меньше или равен 1. Генератор позволяет получать высокую точность представления потоков в случае совпадения коэффициента вариации моделируемого потока со значениями 1,1/, 1/ ,1/, где N порядок потока Эрланга.

Недостаток известного устройства относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что генератор не позволяет моделировать потоки, имеющие коэффициент вариации больше единицы.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее с первого по третий датчики случайных чисел, первый и второй генераторы экспоненциального напряжения, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй элементы И, элемент ИЛИ, триггер, с первого по третий блоки сравнения, элемент задержки. Данное устройство позволяет с высокой точностью моделировать потоки заявок, имеющие коэффициент вариации больше или равен единицы.

Однако при моделировании реальных потоков часто приходится иметь дело с потоками, имеющими переменные во времени параметры. Такие потоки могут быть аппроксимированы с применением гиперэкспоненциального закона с параметрами и коэффициентами, зависящими от времени. Расчет параметров и коэффициентов может проводиться в соответствии с известными формулами. Данное устройство не позволяет учесть изменения параметров потока во времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения числа формируемых потоков импульсов.

Для достижения поставленной цели в генератор случайных импульсов, содержащий первый и второй датчики случайных чисел, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй блоки сравнения, датчик экспоненциального напряжения и формирователь импульсов, вход которого подключен к выходу первого блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к выходу первого датчика случайных чисел, ко второму входу первого блока сравнения подключен выход датчика экспоненциального напряжения, выход второго датчика случайных чисел подключен ко входу второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу второго блока сравнения, введены шесть регистров, два элемента задержки, третий цифроаналоговый преобразователь, задатчик параметров и коэффициента и коммутатор, выход которого соединен с управляющим входом датчика экспоненциального напряжения, выход второго блока сравнения соединен с управляющим входом коммутатора, к первому и второму информационным входам которого через первый вход пятого и шестого регистров подключены выходы задания первой и второй постоянной времени задатчика параметров и коэффициента, выход задания коэффициента которого подключен через первый вход шестого регистра к входу третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом второго блока сравнения, выход формирователя импульсов подключен к входам обнуления первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого регистров, а также через первый элемент задержки со вторыми входами первого, второго и третьего регистров и через второй элемент задержки со вторыми входами четвертого, пятого и шестого регистров и со входами первого и второго датчика случайных чисел и входом запуска датчика экспоненциального напряжения, первый, второй и третий регистры через первые входы соединяют задатчик параметров и коэффициента соответственно с первым, вторым и третьим внешними входами устройства.

При этом задатчик параметров и коэффициента состоит из девятнадцати блоков умножения, шести блоков вычитания, трех блоков деления, пяти блоков сложения, одного блока вычисления корня и одного блока формирования постоянных коэффициентов, где первый вход четвертого блока умножения является первым входом задатчика и соединен с первым входом первого блока умножения, с первым и вторым входами третьего блока умножения и со вторым входом шестого блока умножения, соединенного первым входом с выходом третьего блока умножения, второй вход четвертого блока умножения является вторым входом задатчика и соединен с первым и вторым входами восьмого блока умножения, со вторым входом тринадцатого блока умножения и со вторым входом пятого блока умножения, соединенного выходом с первым входом девятого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "6" блока формирования постоянных коэффициентов, первый вход первого блока вычитания является третьим входом задатчика и соединен со вторым входом первого блока умножения, с первым и вторым входами второго блока умножения, с первым входом пятого блока вычитания и со вторым входом десятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом шестого блока умножения и с первым входом шестнадцатого блока умножения, а выходом с первым входом двенадцатого блока умножения, второй вход которого соединен со вторым входом пятнадцатого блока умножения и с выходом задания коэффициента "4" блока формирования постоянных коэффициентов, выход первого блока умножения соединен с первыми входами пятого блока умножения и второго блока вычитания, соединенного вторым входом с выходом восьмого блока умножения и с первым входом тринадцатого блока умножения, выход которого соединен с первым входом пятнадцатого блока умножения, соединенного выходом с первым входом третьего блока сложения, выход второго блока умножения соединен с первым входом четвертого блока сложения, который вторым входом соединен с выходом третьего блока сложения, а выходом со входом блока вычисления корня, выход которого соединен с первыми входами девятнадцатого блока умножения и второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом восемнадцатого блока умножения, а выход со вторыми входами второго блока сложения и четвертого блока вычитания, соединенных первыми входами с выходом первого блока деления, первый вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, который в свою очередь выходом соединен с первым входом семнадцатого блока умножения и с первым и вторым входами седьмого блока умножения, соединенного выходом с первым входом одиннадцатого блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого блока сложения, а второй вход с выходом задания коэффициента "3" блока формирования постоянных коэффициентов и со вторым входом семнадцатого блока умножения, соединенного выходом со вторым входом пятого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом шестого блока вычитания, соединенного вторым входом с выходом шестнадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "2" блока формирования постоянных коэффициентов и со вторыми входами четырнадцатого и девятнадцатого блоков умножения, выход девятнадцатого блока умножения соединен с первым входом третьего блока деления, соединенного вторым входом с выходом шестого блока вычитания, а выходом с первым входом пятого блока сложения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "1/2" блока формирования постоянных коэффициентов, выход задания коэффициента "-1" которого соединен со вторым входом восемнадцатого блока умножения, соединенного первым входом со вторым входом первого блока деления и с выходом четырнадцатого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго блока вычитания, выход двенадцатого блока умножения соединен с первым входом третьего блока вычитания, соединенного выходом со вторым входом третьего блока сложения, а вторым входом -с выходом первого блока сложения, второй вход которого соединен с выходом девятого блока умножения, выход второго блока сложения является выходом задания первой постоянной времени задатчика, а выход четвертого блока вычитания выходом задания второй постоянной времени задатчика, выход пятого блока сложения является выходом задания коэффициента.

Проведенный анализ патентной и технической литературы показал отсутствие технических решений со сходными признаками, что указывает на существенные отличия предложенного устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 структурная схема задатчика параметров и коэффициента.

Генератор случайных импульсов состоит из первого 1, второго 2 датчика случайных чисел, первого 3, второго 4 и третьего 5 цифроаналоговых преобразователей, датчика 6 экспоненциального напряжения, первого 7 и второго 8 блоков сравнения, формирователя импульсов 9, коммутатора 10, задатчика параметров 11 и коэффициента, шести регистров 12-17, первого 18 и второго 19 элементов задержки.

Задатчик параметров и коэффициента (см. фиг.2) состоит из девятнадцати блоков умножения 20-36, шести блоков вычитания 39-44, трех блоков деления 45-47, пяти блоков сложения 48-52, блока вычисления корня 53 и блока формирования постоянных коэффициентов 54.

В процессе работы устройства по трем первым начальным факториальным моментам на первом 58 и втором 59 выходах задатчика 11 параметров и коэффициента формируются следующие значения параметров: μ₁= α+β и μ₂=α-β, где α
(1)
β
ν₁,ν ₂, ν₃- начальные факториальные моменты модулируемого потока.

На третьем выходе 60 формируется значение коэффициента, равного сумме А+В, и определяющего выбор параметра μ₁ или μ₂ где А 1/2, а
B
(2)
Это происходит следующим образом.

На внешних входах 55, 56 и 57 задатчика устанавливаются значения соответственно первого, второго и третьего начальных факториальных моментов (ν₁, ν ₂, ν₃).

Значение первого факториального момента с первого внешнего входа 55 задатчика поступает на второй вход блока умножения 25, на оба входа блока умножения 22, на первый вход блока умножения 23 и на второй вход блока умножения 20. Одновременно с этим значение второго факториального момента со второго внешнего входа 56 задатчика поступает на второй вход блока умножения 23, второй вход блока умножения 32, первый и второй входы блока умножения 27 и на второй вход блока умножения 24, а значение третьего факториального момента поступает с третьего внешнего входа 57 на второй вход блока умножения 29, первый вход блока умножения 20, первый и второй входы блока умножения 21 и на второй вход блока вычитания 43.

Блок формирования постоянных коэффициентов 54 задает значение коэффициентов "6", "4", "3", "2", "-1" и "1/2".

Формирование параметра α осуществляется следующим образом.

Блок умножения 20 производит умножение первого и третьего начальных факториальных моментов, а результат (ν₁ν₃) умножения передается на первый вход блока вычитания 40. Одновременно с этим блок умножения 23 производит умножение первого и второго факториальных моментов, а произведение ( ν₁ν₂) передает на второй вход блока вычитания 39, на котором от значения третьего факториального момента отнимается произведение первого и второго факториальных моментов, а результат (ν₃-ν₁ν₂) задается на первый вход блока деления 45.

В это же время блок умножения 27 осуществляет произведение значения второго факториального момента самого на себя (ν₂²), которое поступает на второй вход блока вычитания 40, где отнимается от значения произведения первого и третьего факториальных моментов, а результат (ν₁ν₃-ν₂² ) умножается на коэффициент "2" в блоке умножения 33. Полученное произведение (2(ν₁ν₃-ν₂² )) задается на второй вход блока деления 45. В результате выполнения операции деления получаем параметр α= (ν₃-ν₁ν₂)/2(ν₁ν₃-ν₂²), который передается на первые входы блока сложения 49 и блока вычитания 42.

При формировании параметра β блоки умножения 22 и 25 производят возведение в степень "три" значения первого факториального момента. Когда результат умножения (ν₁³) поступает из блока умножения 25 на первый вход блока умножения 29, происходит его умножение на значение третьего факториального момента, а результат произведения (ν₁³ν₃) подается на первый вход блока умножения 31, где умножается на коэффициент "4". Результат умножения (4ν₁³ν₃) заносится на первый вход блока вычитания 41.

Блок умножения 26 осуществляет возведение во вторую степень произведения первого и второго факториальных моментов, а полученное значение (ν₁²ν₂²) передается на блок умножения 30, который производит умножение результата на коэффициент "3" и передает полученное значение (3ν₁²ν₂²) на первый вход блока сложения 48.

При поступлении на первый вход блока умножения 24 произведения первого и третьего факториальных моментов, а на второй вход значения второго факториального момента происходит их умножение между собой, а результат (ν₁ν₂ν₃) поступает на первый вход блока умножения 28, где умножается на коэффициент "6". Результат произведения (6ν₁ν₂ν₃) заносится на второй вход блока сложения 48, который осуществляет его сложение с результатом операции умножения на блоке умножения 30. Блок вычитания 41 производит вычисление разности между результатом, поступающим с выхода блока умножения 31 и результатом, поступающим с блока сложения 48. Полученное значение (4ν₁³ν₃-3ν₁²-6ν₁ν₂ν₃) заносится на второй вход блока сложения 50.

В это же время значение второго факториального момента в квадрате умножается блоком умножения 32 на второй факториальный момент, и полученное в результате значение второго факториального момента в кубе поступает на первый вход блока умножения 34, где происходит его умножение на постоянный коэффициент "4", а результат (4ν₂³) поступает на первый вход блока сложения 50, который складывает его со значением на выходе блока вычитания и заносит результат (4ν₁³ν₃-3ν₁²ν₂²-6ν₁ν₂ν₃+4ν₂³) на второй вход блока сложения 51, первый вход которого представляет собой квадрат третьего факториального момента с выхода блока умножения 21.

От результата выполнения операции сложения в блоке сложения 51 (4ν₁³ν₃-3ν₁²ν₂²-6ν₁ν₂ν₃+4ν₂³+ν₃²) в блоке 53 берется квадратный корень, а результат через первый выход поступает на первый вход блока деления 46, вторым входом которого является результат выполнения операции умножения в блоке умножения 33, умноженный на постоянный коэффициент "-1" в блоке умножения 37. Выходом блока деления 46 является параметр
β который подается на второй вход блока сложения 49 и второй вход блока вычитания 42.

Результатом выполнения операции сложения на блоке сложения 49 является параметр μ₁= α+β, который поступает на первый внешний выход 58 задатчика параметров и коэффициента.

Результатом выполнения операции вычитания на блоке вычитания 42 является параметр μ₂= α-β, который поступает на второй внешний выход 59 задатчика параметров и коэффициента.

При поступлении произведения первого и второго начальных факториальных моментов на первый вход и постоянного коэффициента "3" на второй вход блока умножения 36 происходит их умножение, и от результата (3 ν₁ν₂) умножения, поступающего на первый вход блока вычитания 43, отнимается значение третьего факториального момента, а результат (3ν₁ν₂-ν₃ ) поступает на второй вход блока вычитания 44, где и отнимается от удвоенного произведения первого факториального момента в кубе на третий факториальный момент (2ν₁³- 3ν₁ν₂+ ν₃), которое поступает с выхода блока умножения 35 на первый вход блока вычитания 44.

Результат выполнения операции "взятие квадратного корня " на блоке 53 поступает на первый вход блока умножения 20, где происходит его умножение на постоянный коэффициент "2", а результат подается на второй вход блока деления 47.

Результатом выполнения операции "деление" является коэффициент
β значение которого поступает на первый вход блока сложения 52, где происходит его сложение с коэффициентом А 1/2, который поступает на второй вход блока сложения 52.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с формулами [1] и [2] по трем первым начальным факториальным моментам, поступающим соответственно с регистров 12, 13 и 14, на первом и втором выходах задатчика 11 формируются значения параметров μ₁=α+β и μ₂=α-β, а на третьем выходе значение коэффициента, равного сумме А+В, определяющего выбор параметра μ₁ или μ₂.

Импульс с выхода формирователя 9 импульсов (см. фиг.1) обнуляет регистры 12-17. Кроме того, через некоторое время задержки t_з1, которое определяется элементом задержки 18, поступает на управляющие входы регистров 12-14, соединяя тем самым входы задатчика параметров 11 и коэффициента с внешними входами устройства.

Этот же импульс через время задержки t_з2, задаваемое элементом задержки 19, запускает датчики 1 и 2 равномерно распределенных случайных чисел и управляемый датчик 6 экспоненциального напряжения и поступает на управляющие входы регистров 15-17.

При этом временные задержки t_з1 и t_з2 пренебрежимо малы в сравнении с величинами временных интервалов между формируемыми импульсами потока и не оказывают существенного влияния на точность моделирования.

При поступлении импульса на управляющие входы регистров 15-17 значение коэффициента А+В поступает с третьего выхода задатчика 11 через регистр 15 на вход цифроаналогового преобразователя 4, где преобразуется в напряжение, а значения параметров μ₁ и μ₂ с первого и второго выходов задатчика 11 поступают соответственно на первый и второй входы коммутатора 10.

Если величина напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 5 больше величины напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 4, то блок сравнения 8 вырабатывает сигнал, в соответствии с которым коммутатор 10 подключает ко входу задания постоянной времени датчика 6 первый выход задатчика 11, на котором сформировано значение параметра μ₁. Если величина этого напряжения меньше, то блок сравнения 8 не вырабатывает сигнал, и ко входу задания постоянной времени генератора подключен коммутатором 10 второй вход задатчика 11. В результате этого на вход задания постоянной времени поступает значение параметра μ₂.

Цифроаналоговый преобразователь 3 преобразует код случайного числа с выхода датчика 1 в соответствующее напряжение, которое подается на первый вход блока сравнения 7. Датчик 6 экспоненциального напряжения вырабатывает в соответствии с параметром μ₁ или μ₂ экспоненциально изменяющееся напряжение, поступающее на второй вход блока 7 сравнения. При равенстве величин напряжений на входах блока 7 вырабатывается сигнал, по которому формирователь 9 вырабатывает импульс, который поступает на выход устройства и через время задержки t_з2 вновь поступает на управляющие входы регистров 15-17 и запускает датчики 1 и 2 равномерно распределенных случайных чисел и датчик 6 экспоненциального напряжения, а также через время задержки t_з1 поступает на управляющие входы регистров 12-14, в результате чего процесс формирования импульса повторяется.

Таким образом, на выходе устройства в соответствии со значениями параметров μ₁ и μ₂ и вероятностного коэффициента формируется поток импульсов, временные интервалы между которыми распределены по гиперэкспоненциальному закону.

Предложенное устройство позволяет расширить функциональные возможности за счет увеличения числа формируемых потоков импульсов.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для статистического моделирования потока заявок в системах массового обслуживания. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения числа формируемых потоков импульсов. Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайных импульсов введены регистры, элементы задержки, цифроаналоговый преобразователь, коммутатор задатчик параметров и коэффициента, который состоит из блоков умножения, блоков вычитания, блоков деления, блоков сложения, блока вычисления корня и блока формирования постоянных коэффициентов. Устройство также содержит датчики случайных чисел, цифроаналоговые преобразователи, датчик экспоненциального напряжения, блоки сравнения, формирователь импульсов. Положительный эффект от внедрения изобретения выражается в том, что предлагаемое устройство позволяет моделировать потоки заявок, имеющие коэффициент вариации больше единицы, при этом начальные моменты могут изменяться во времени. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий первый и второй датчики случайных чисел, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй блоки сравнения, датчик экспоненциального напряжения и формирователь импульсов, вход которого подключен к выходу первого блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу первого датчика случайных чисел, к второму входу первого блока сравнения подключен выход датчика экспоненциального напряжения, выход второго датчика случайных чисел подключен к входу второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу второго блока сравнения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей генератора случайных импульсов за счет увеличения числа формируемых потоков импульсов, в него введены шесть регистров, два элемента задержки, третий цифроаналоговый преобразователь, задатчик параметров и коэффициента и коммутатор, выход которого соединен с управляющим входом датчика экспоненциального напряжения, выход второго блока сравнения соединен с управляющим входом коммутатора, к первому и второму информационным входам которого через первый вход пятого и шестого регистров подключены выходы задания первой и второй постоянной времени задатчика параметров и коэффициента, выход задания коэффициента которого подключен через первый вход шестого регистра к входу третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом второго блока сравнения, выход формирователя импульсов подключен к входам обнуления первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого регистров, а также через первый элемент задержки с вторыми входами первого, второго и третьего регистров и через второй элемент задержки с вторыми входами четвертого, пятого и шестого регистров, с входами первого и второго датчиков случайных чисел и входом запуска датчика экспоненциального напряжения, первый, второй и третий регистры через первые входы соединяют задатчик параметров и коэффициента соответственно с первым, вторым и третьим внешними входами генератора. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что задатчик параметров и коэффициента состоит из девятнадцати блоков умножения, шести блоков вычитания, трех блоков деления, пяти блоков сложения, одного блока вычисления корня и одного блока формирования постоянных коэффициентов, где первый вход четвертого блока умножения является первым входом задатчика и соединен с первым входом первого блока умножения, с первым и вторым входами третьего блока умножения и вторым входом шестого блока умножения, соединенного первым входом с выходом третьего блока умножения, второй вход четвертого блока умножения является вторым входом задатчика и соединен с первым и вторым входами восьмого блока умножения, вторым входом тринадцатого блока умножения и вторым входом пятого блока умножения, соединенного выходом с первым входом девятого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "6" блока формирования постоянных коэффициентов, первый вход первого блока вычитания является третьим входом задатчика и соединен с вторым входом первого блока умножения, первым и вторым входами второго блока умножения, первым входом пятого блока вычитания и вторым входом десятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом шестого блока умножения и первым входом шестнадцатого блока умножения, а выходом с первым входом двенадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с вторым входом пятнадцатого блока умножения и выходом задания коэффициента "4" блока формирования постоянных коэффициентов, выход первого блока умножения соединен с первыми входами пятого блока умножения и второго блока вычитания, соединенного вторым входом с выходом восьмого блока умножения и первым входом тринадцатого блока умножения, выход которого соединен с первым входом пятнадцатого блока умножения, соединенного выходом с первым входом третьего блока сложения, выход второго блока умножения соединен с первым входом четвертого блока сложения, который вторым входом соединен с выходом третьего блока сложения, а выходом с входом блока вычисления корня, выход которого соединен с первыми входами девятнадцатого блока умножения и второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом восемнадцатого блока умножения, а выход с вторыми входами второго блока сложения и четвертого блока вычитания, соединенных первыми входами с выходом первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, который, в свою очередь, выходом соединен с первым входом семнадцатого блока умножения и первым и вторым входами седьмого блока умножения, соединенного выходом с первым входом одиннадцатого блока умножения, выход которого соединен с первым входом первого блока сложения, а второй вход с выходом задания коэффициента "3" блока формирования постоянных коэффициентов и с вторым входом семнадцатого блока умножения, соединенного выходом с вторым входом пятого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом шестого блока вычитания, соединенного вторым входом с выходом шестнадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "2" блока формирования постоянных коэффициентов и с вторыми входами четырнадцатого и девятнадцатого блоков умножения, выход девятнадцатого блока умножения соединен с первым входом третьего блока деления, соединенного вторым входом с выходом шестого блока вычитания, а выходом с первым входом пятого блока сложения, второй вход которого соединен с выходом задания коэффициента "1/2" блока формирования постоянных коэффициентов, выход задания коэффициента "-1" которого соединен с вторым входом восемнадцатого блока умножения, соединенного первым входом с вторым входом первого блока деления и выходом четырнадцатого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго блока вычитания, выход двенадцатого блока умножения соединен с первым входом третьего блока вычитания, соединенного выходом со вторым входом третьего блока сложения, а вторым входом с выходом первого блока сложения, второй вход которого соединен с выходом девятого блока умножения, выход второго блока сложения является выходом задания первой постоянной времени задатчика, а выход четвертого блока вычитания выходом задания второй постоянной времени задатчика, выход пятого блока сложения является выходом задания коэффициента.