Способ хранения и считывания аналоговых значений функций многих переменных Российский патент 2018 года по МПК G06G7/25 

Изобретение относится к области управления в реальном масштабе времени сложными объектами и быстротекущими процессами. Технический результат - повышение быстродействия управления при снижении аппаратной избыточности и унификация структуры устройств считывания из запоминающего устройства значений функции управления, зависящей от множества параметров.

Известны многоканальные системы для регистрации физических величин [Авторское свидетельство СССР №1070581, кл. G06F 15/46,] содержащие усилители, аналого-цифровые преобразователи, блоки памяти, коммутатор каналов, блок управления и регистратор.

Принцип действия известных систем заключается в дискретизации исследуемых процессов, выборке исходных значений сигналов, преобразовании их в цифровой код и запоминании кодов в блоках памяти для восстановления впоследствии формы исследуемых сигналов или обработки полученных данных. Недостатком подобных систем является необходимость аналого-цифровых преобразований параметров объекта, снижающая быстродействие систем и значительная аппаратная сложность, не позволяющая реализовать их в одном устройстве.

Известен интервальный идентификатор [Патент на изобретение №2417434 G06G 7/25 (2006.01)], который построен с применением компараторов и электронных ключей. Выдает на выходе два значения функции в зависимости от принадлежности или непринадлежности сигнала интервалу.

Недостатком интервального идентификатора относительно заявленного изобретения является возможность идентификации функции только одним интервалом.

Наиболее близким по техническим результатам к заявленному изобретению является патент на реляторный позиционный идентификатор [Патент на изобретение №2117330 G06G 7/25 (2006.01)]. Выполняет позиционную идентификации аналогового сигнала в шкале ранжированных опорных напряжений. Идентификатор содержит аналоговые замыкающие ключи, дифференциальные компараторы напряжения и булевые логические элементы "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". Указанная операция является операцией позиционной идентификации аналогового сигнала х в шкале опорных напряжений x₁<x₂<…<x_n-1. На выходе устройства будет значение функции в выбранном интервале

Недостатком процессора для адресно-ранговой идентификации и селекции аналоговых сигналов является ограничение его функциональных возможностей селекцией функций, зависящих от одной переменной. Технический результат заявленного способа и устройства для его реализации:

- позиционная идентификация аналогового сигнала функции многих переменных F(x₁, x₂, …, x_N) в шкале опорных напряжений аргументов функции при i=1…n;

- повышение быстродействия устройств считывания аналоговых значений функций многих переменных;

- унификация структуры устройства при варьировании количества аргументов функции;

- упорядочивание передачи считанных значений функции на выход устройства.

Технический результат в предлагаемом способе хранения и считывания аналоговых значений функций N переменных достигается тем, что значения аргументов x₁, x₂,…,x_N функции F(x₁, x₂, …, x_N) фиксируют в множестве точек области определения функции и хранят в ячейках блоков памяти устройства, при этом каждый аргумент x_i принимает K значений , …, , при записи фиксированных значений аргумента x_i в ячейки памяти их ранжируют так, что , где i - номер блока памяти, а верхний индекс - номер ячейки памяти в блоке, значения функции F записывают в K^N ячеек памяти, порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации фиксированных значений аргументов , в ячейку с номером n записывают значение функции верхние индексы значений аргументов которой рассчитывают по формулам: составляют множество кортежей Θ из фиксированных значений аргументов и функций, для каждой n-й ячейки записи функции и связанной с ней комбинации аргументов образуют кортеж с номером n, для считывания значений функции на N входов устройства подают аналоговые сигналы с текущими значениями аргументов для каждого текущего значения в i-м блоке памяти находят соседние интервальные значения аргументов для которых и , найденный набор значений аргументов на краях интервалов используют для определения сигнальных значений функции F в вершинах N-куба, образованного полным перебором 2^N значений аргументов из множества X_minmax={x_1min, x_2min, …, x_Nmim, x_1max, x_2max, …, x_Nmax} на краях найденных интервалов, для этого выполняют проверку всех кортежей на принадлежность N-кубу, начиная с n=1 до n=K^N, найденные кортежи N-куба нумеруют в порядке размещения исходных кортежей в памяти и присваивают значениям функции номера j от 1 до 2^N, значение функции F_n n-го кортежа относят к j-й вершине N-куба и присваивают номер j, F^j=F_n, если все значения аргументов при i=1,2,…,N и для любой вершины N-куба при существует кортеж у которого m<n и при i=1,2,…,N, сигнальное значение функции F¹ из первого найденного кортежа передают на первый выход устройства, сигнальное значение функции F^j из j-го найденного кортежа передают на j-й выход устройства.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что устройство содержит (Фиг. 1): запоминающее устройство (ЗУ) 1 для хранения исходных значений аргументов, ЗУ 2 для хранения значений функции, блок выбора кортежей 3, блок выбора исходных значений аргументов 4, N шин 5 передачи наборов фиксированных значений аргументов, каждая шина 5 передачи наборов значений аргументов содержит K линий передачи значений аргументов, блок считывания значений функции 6, ЗУ 1 для хранения значений аргументов содержит N блоков 7 для хранения исходных значений аргументов, каждый блок 7 хранения исходных значений аргументов состоит из K ячеек памяти, ЗУ 2 для хранения фиксированных значений функции содержит K^N ячеек 8, блок выбора кортежей 3 содержит K^N функциональных узлов выбора кортежей (ФУВК) 9, блок выбора исходных значений аргументов 4 содержит N функциональных узлов выбора значений аргументов (ФУВЗА) 10, информационный вход 10₁ i-го ФУВЗА подключен к i-му входу устройства, j-я ячейка i-го блока хранения исходных значений аргументов 7 ЗУ 1 подключена к j-й линии передачи i-й шины, линии передачи i-й шины 5 передачи наборов значений аргументов подключены к группе входов 10₂ для ввода исходных значений аргументов i-го ФУВЗА 10, первый контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9₁ m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи первой шины 5, где скобки [] означают операцию деления нацело без остатка, % означает операцию нахождение остатка от деления нацело, n-й контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9₁ m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи i-й шины 5, где , первый выход i-го ФУВЗА 10 подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК 9, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК 9, выход i-го ФУВК 9 подключен к i-му входу 6₁ ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6, i-я ячейка 8 ЗУ 2 подключена к i-му входу 6₂ ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6, блок считывания значений функции 6 содержит 2^N⋅K^N функциональных узлов считывания значений функции (ФУСЗФ)11 (фиг. 2), которые расположены в K^N рядах, в каждом ряде расположено 2^N ФУСЗФ, i-й вход 6₁ ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6 подключен к первому управляющему входу 11₁ ФУСЗФ i-го ряда, i-й вход 6₂ ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6 подключен к информационному входу 11₂ ФУСЗФ i-го ряда, информационные выходы 11₃ j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к j-му выходу 6₃ блока считывания значений функции 6, второй управляющий вход 11₄ j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к первому управляющему выходу 11₅ (j-1)-го ФУСЗФ того же ряда, второй управляющий выход 11₆ j-го ФУСЗФ i-го ряда подключены к третьему управляющему входу 11₇ j-го ФУСЗФ (i+1)-го ряда, j-й выход 6₃ блока считывания значений функции 6 подключены к j-му выходу устройства.

Рассмотрим работу устройства. Пусть N - количество аргументов функции, K - количество фиксированных значений одного аргумента функции, записанных в ЗУ 1 (фиг. 1). (Для удобства обозначений без потери общности объяснения работы способа и устройства допустим, что количество исходных фиксированных значений всех аргументов одинаково и равно K). Тогда в памяти устройства должно храниться K^N значений функции многих переменных F, полученных по результатам экспериментальных или теоретических исследований.

Исходные значения аргументов записываются в ЗУ 1. В j-й ячейке i-ого блока 7 ЗУ 1 хранится значение аргумента При записи аргументов в ячейки ЗУ 1 их значения ранжируются так, что где верхний индекс соответствует одновременно номеру ячейки в i-м блоке 7 ЗУ 1. Ячейки блоков 7 ЗУ 1 подключены к линиям передачи шин 5. j-я ячейка i-го блока содержит исходное значение аргумента и подключена к j-й линии передачи i-й шины. Аналоговые значения аргументов из ячеек блоков 7 ЗУ 1 по линиям передачи шин подаются на ФУВК 9 и ФУВЗА 10.

По линиям передачи шины 5 значения аргументов из ЗУ 1 передаются в блок выбора исходных значений аргументов 4, который содержит N ФУВЗА 10. На входы i-го ФУВЗА 10 по i-ой шине 5 передаются K исходных фиксированных значений аргумента x_i: .

В блоке выбора кортежей 3 расположены K^N ФУВК 9, каждый из которых идентифицирует набор исходных фиксированных значений аргументов подаваемых на группу входов 9₁.

Порядок подключения линий передачи шин 5 к группам входов 9₁ ФУВК 9 блока выбора кортежей 9 определяется правилами:

1) к группе входов 9₁ n-го ФУВК подключен набор исходных фиксированных значений аргументов ,

2) нижние индексы набора аргументов соответствуют номеру шины 5 и определяют номер входа в группе 9₁,

3) верхние индексы аргументов определяют номер линии передачи соответствующей аргументу шины 5 и рассчитывают по формулам:

Исходные фиксированные значения функции F записывают в K^N ячеек памяти ЗУ 2. Порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации аргументов . В ячейку с номером n записывают значение функции верхние индексы аргументов которой рассчитывают по формулам (1). Таким образом, для каждой n-й ячейки записи функции F_n и связанной с ней комбинацией аргументов , подаваемой на n-й ФУВК, образуется кортеж с номером n, где Θ - множество из K^N кортежей.

При подаче на информационные входы 10₁ устройства аналоговых сигналов с текущими значениями аргументов х₁, х₂, …, x_N для каждого текущего значения x_i в i-м ФУВЗА 10 из i-го блока памяти 7 ЗУ 1 выбирают два соседних последовательных значения аргументов x_imin и x_imax из исходных фиксированных значений для которых x_i≥x_imin и x_i<x_imax. Найденные значения x_imin, x_imax поступают на первый и второй выходы i-го ФУВЗА 10. Выходы всех ФУВЗА 10 подключены к группам входов 9₂ ФУВК 9. Первый выход i-го ФУВЗА подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК. В результате на группы входов каждого ФУВК поступает множество значений аргументов X_minmax={x_1min, x_2min, …, x_Nmin, x_1max, x_2max, …, x_Nmax}. n-й ФУВК Сравнивает множество значений X_minmax с значениями, поступающими на группу входов 9₁, проверяя условие:

где k_i вычисляется по формулам (1).

При выполнении условия (2) на выходе n-го ФУВК формируется сигнал логической единицы, который передается на n-й вход группы входов 6₁ блока считывания значений функции 6. В результате на логические единицы будут присутствовать на 2^N входов 6₁ блока 6. На остальных входах будет логический ноль. Логическая единица на n-м входе группы входов 6₁ блока 6 указывает на принадлежность фиксированного исходного значения функции F_n вершине N-куба. При этом фиксированное исходное значение функции F_n будет передано на один из выходов 6₃ блока 6.

Значение функции F_n передается на j-й выход блока 6 (F^j=F_n), если на n-м входе группы входов 6₁ будет логическая единица и на для любого выхода блока 6 при существует фиксированное исходное значение функции F_m при m<n, для которого на m-м входе группы входов 6₁ будет логическая единица. Данное правило передачи значений функции F из ЗУ 2 на выходы 6₃ блока 6 позволяет получить на выходе устройства 2^N значений функции в вершинах N-куба, внутри которого находится точка с текущими значениями аргументов х₁, х₂, …, x_N. Это позволяет выполнять позиционную идентификацию множества из N аналоговых сигналов в шкале ранжированных их опорных напряжений.

Применение в блоке 6 представленного выше правила позволяет упорядочить передачу на выходы устройства значений функции F в вершинах N-куба. На j-й выход подается значение , где

,

i- номер параметра х (изменяется от 1 до N).

ФУСЗФ, ФУВК и ФУВЗА реализуются на аналоговых схемах, содержащих компараторы, схемы совпадения, управляемые ключи, логические схемы, схемы аналоговых вычислений, ситуационные процессоры [Патент 2541850 МПК G06G 7/25]. Ячейки памяти ЗУ 1 и 2 могут быть выполнены в виде делителей напряжения, регулировкой которых задаются соответствующие значения переменных и функции, или в виде цифровой памяти, для которой потребуется аналого-цифровые преобразователи. Ограничения на количество обрабатываемых параметров определяется применяемой в устройстве элементной базой. Предлагаемый способ и устройство ориентированы на интегральное исполнение, при котором габариты устройства позволят реализовывать хранение и считывание функций многих переменных. Время считывания значений функции определяется скоростью переключения электронных ключей в ФУВЗФ и ФУВЗА и не превышает нескольких микросекунд, что позволяет применять патентуемое устройство в системах управления быстротекущими процессами в реальном масштабе времени.

Использование данного изобретения позволит унифицировать структуру устройств хранения и считывания аналоговых значений функций и снизить время считывания значений функции многих переменных.

Группа изобретений относится к автоматике и аналоговой вычислительной технике и предназначена для обработки в реальном масштабе времени быстро меняющихся аналоговых сигналов датчиков в авиационных и ракетно-космических системах автоматического управления. Техническим результатом является позиционная идентификация аналогового сигнала функции многих переменных в шкале опорных напряжений аргументов функции, повышение быстродействия устройств считывания аналоговых значений функций многих переменных, унификация структуры устройства при варьировании количества аргументов функции, упорядочивание передачи считанных значений функции на выход устройства. Устройство содержит запоминающее устройство (ЗУ) для хранения исходных значений аргументов, ЗУ для хранения значений функции, блок выбора кортежей, блок выбора исходных значений аргументов, N шин передачи наборов фиксированных значений аргументов, блок считывания значений функции. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ хранения и считывания аналоговых значений функции многих переменных, в котором значения аргументов x₁, x₂, …, x_N функции F(x₁, х₂, …,x_N) фиксируют в множестве точек области определения функции и хранят в ячейках блоков памяти устройства, при этом каждый аргумент x_i принимает K значений , при записи фиксированных значений аргумента x_i в ячейки памяти их ранжируют так, что , где i - номер блока памяти, а верхний индекс - номер ячейки памяти в блоке, значения функции F записывают в K^N ячеек памяти, порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации фиксированных значений аргументов , в ячейку с номером n записывают значение функции , верхние индексы значений аргументов которой рассчитывают по формулам: , , , , составляют множество кортежей Θ из фиксированных значений аргументов и функций, для каждой n-й ячейки записи функции и связанной с ней комбинации аргументов образуют кортеж c номером n, для считывания значений функции на N входов устройства подают аналоговые сигналы с текущими значениями аргументов , для каждого текущего значения в i-м блоке памяти находят соседние интервальные значения аргументов , для которых и , найденный набор значений аргументов на краях интервалов используют для определения сигнальных значений функции F в вершинах N-куба, образованного полным перебором 2^N значений аргументов из множества X_minmax={x_1min, x_2min, …, x_Nmin, x_1max, x_2max, …, x_Nmax} на краях найденных интервалов, для этого выполняют проверку всех кортежей на принадлежность N-кубу, начиная с n=1 до n=K^N, найденные кортежи N-куба нумеруют в порядке размещения исходных кортежей в памяти и присваивают значениям функции номера j от 1 до 2^N, значение функции F_n n-го кортежа относят к j-й вершине N-куба и присваивают номер j, F^j=F_n, если все значения аргументов при i=1, 2, …, N и для любой l-й вершины N-куба при l<j существует кортеж , у которого m<n и при i=1, 2, …, N, сигнальное значение функции F¹ из первого найденного кортежа передают на первый выход устройства, сигнальное значение функции F^j из j-го найденного кортежа передают на j-й выход устройства.

2. Устройство хранения и считывания аналоговых значений функции многих переменных, которое содержит запоминающее устройство (ЗУ) для хранения исходных значений аргументов, ЗУ для хранения значений функции, блок выбора кортежей, блок выбора исходных значений аргументов, N шин передачи наборов фиксированных значений аргументов, каждая шина передачи наборов фиксированных значений аргументов содержит K линий передачи значений аргументов, блок считывания значений функции, ЗУ для хранения исходных значений аргументов содержит N блоков хранения исходных значений аргументов, каждый блок хранения исходных значений аргументов состоит из K ячеек памяти, ЗУ для хранения фиксированных значений функции содержит K^N ячеек, блок выбора кортежей содержит K^N функциональных узлов выбора кортежей (ФУВК), блок выбора исходных значений аргументов содержит N функциональных узлов выбора значений аргументов (ФУВЗА), информационный вход i-го ФУВЗА подключен к i-му входу устройства, j-я ячейка i-го блока хранения исходных значений аргументов подключена к j-й линии передачи i-й шины, линии передачи i-й шины передачи наборов фиксированных значений аргументов подключены к группе входов ввода исходных значений аргументов i-го ФУВЗА, первый контакт группы входов ввода исходных значений аргументов m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи первой шины передачи наборов фиксированных значений аргументов, где , скобки [] означают операцию деления нацело, без остатка, % означает операцию нахождения остатка от деления нацело, n-й контакт группы входов ввода исходных значений аргументов m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи i-й шины передачи наборов фиксированных значений аргументов, где , , первый выход i-го ФУВЗА подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов каждого ФУВК, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов каждого ФУВК, выход i-го ФУВК подключен к i-му входу ввода сигналов управления блока считывания значений функции, i-я ячейка ЗУ для хранения значений функции подключена к i-му входу ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции, блок считывания значений функции содержит 2^N⋅K^N функциональных узлов считывания значений функции (ФУСЗФ), которые расположены в K^N рядах, в каждом ряде расположено 2^N ФУСЗФ, i-й вход ввода сигналов управления блока считывания значений функции подключен к первому управляющему входу ФУСЗФ i-го ряда, i-й вход ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции подключен к информационному входу ФУСЗФ j-го ряда, информационные выходы j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к j-му выходу блока считывания значений функции, второй управляющий вход j-го ФУСЗФ каждого ряда подключен к первому управляющему выходу (j-1)-го ФУСЗФ того же ряда, второй управляющий выход j-го ФУСЗФ i-го ряда подключен к третьему управляющему входу j-го ФУСЗФ (i+1)-го ряда, j-й выход блока считывания значений функции подключен к j-му выходу устройства.