АДАПТИВНОЕ ЦИФРОВОЕ ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2019 года по МПК G06F15/00 G06F17/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для сглаживания и прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов, повышения точности управления в цифровых системах наведения различных (в т.ч. баллистических) объектов.

Известно адаптивное цифровое сглаживающее и прогнозирующее устройство (патент РФ №2626338, МПК G06F 15/00, 26.07.2017, бюл. №21), содержащее блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов, схему коррекции кода прогноза на динамике, субблоки расчета первой производной и подсчета приращений скорости процесса и блок адаптации. Устройство функционально ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, адаптивное цифровое сглаживающее и прогнозирующее устройство (патент РФ №2622852, МПК G06F 17/17, 20.06.2017, бюл. №17), содержащее блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: два вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов, схему коррекции кода прогноза на динамике, субблоки расчета первой производной и подсчета приращений скорости процесса. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и малое быстродействие.

На практике, по характеру изменения во времени дискретные случайные процессы (СП) можно разделить на два вида (режима): установившийся (стационарный) и переходный (в дальнейшем «динамика»). Первый характеризуется установившейся линейной скоростью медианы (детерминированной основы) СП, второй имеет нелинейный (квадратичный) характер изменения во времени и занимает относительно небольшое время перехода медианы СП на новый установившийся режим. Спектр изменения скорости медианы СП на динамике может занимать достаточно большой диапазон: от медленно меняющегося до высоких скоростей (почти скачка).

В аналогах и прототипе реализованы формулы операторов прогноза, полученные аналитически с помощью аппроксимирующих многочленов по 4-м точкам (y_n, y_n-1, y_n-2, y_n-3) или по 3-м точкам (y_n, y_n-1, y_n-2) буфера памяти предыстории входного сглаженного СП методом наименьших квадратов (МНК). Если обозначить временной интервал между текущей (y_n) и конечной точкой (y_n-3 или y_n-2) буфера памяти предыстории как базовый период (h) хранения информации для расчета кода прогноза, то время (глубина) прогноза Н для алгоритма расчета по МНК по 4-м точкам составит только треть базового периода H=1/3h, а по 3-м точкам - половину Н=1/2h.

Поскольку медиана СП на выходе блока сглаживания имеет линейную зависимость по времени на стационарном режиме, то вместо относительно сложного оператора расчета кода прогноза по МНК в предложенном устройстве целесообразно использовать простой алгоритм линейного прогноза, позволяющий довести время (глубину) прогноза до полного базового периода Н=h и упростить расчет кода прогноза y_n+h, используя всего две точки (ординаты) буфера: y_n (текущую) и y_n-h (конечную), без какого-либо ущерба для точности прогноза. Для увеличения времени прогноза, естественно, следует увеличить буфер памяти предыстории.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей путем увеличения времени прогноза в пять раз H=5h при том же объеме буфера памяти предыстории, т.е. не наращивая его в пять раз.

Поэтому, в цифровом прогнозирующем устройстве, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, регистр и мультиплексор, причем выходы каждого m=1, 2, 4, 8, 16 и 32-го каналов заведены на информационные входы мультиплексора, адресный вход которого подключен к выходу регистра, вход последнего подсоединен к первому управляющему входу устройства для задания степени (эффективности) сглаживания k=0, 1, 2, 3, 4 или 5 (m=2^k), а вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства, и блок прогноза, содержащий буфер предыстории из блока регистровой памяти, мультиплексора, инвертора и сумматора; триггер режима; узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр ввода уставки времени прогноза, вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время прогноза h, инвертор, счетчик и мультиплексор, причем выходные шины регистра ввода времени прогноза подключены, непосредственно, - к первому входу мультиплексора, монтажно сдвинутые вправо на три разряда - к второму входу мультиплексора и, через инвертор, - к входу счетчика, шина прямого переноса которого заведена на «0» вход (шину сброса) триггера режима, выход мультиплексора соединен с адресным входом мультиплексора буфера предыстории, а адресный вход мультиплексора узла подключен к прямому («1») выходу триггера режима; субблок переключения режима работы устройства со стационарного на динамику, содержащий два последовательно соединенных регистра хранения текущей и предыдущей дискрет скорости процесса, компаратор, два элемента И, реверсивный счетчик и элемент ИЛИ, причем выход субблока заведен на «1» вход триггера режима и на шину записи счетчика узла управления динамикой прогноза, а информационный вход первого регистра субблока подключен к выходу сумматора буфера предыстории; узел тактирования, содержащий три элемента задержки; схема коррекции кода прогноза на динамике содержащая два сумматора; субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме, содержащий два сумматор и мультиплексор, для решения поставленной задачи первый вход первого сумматора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме подключен к выходу мультиплексора буфера предыстории, второй вход первого сумматора, монтажно сдвинутый влево на один разряд, соединен с выходом сумматора буфера предыстории, выход первого сумматора субблока заведен на первый вход второго сумматора, второй вход которого, монтажно сдвинутый вправо на два разряда подключен к выходу сумматора буфера предыстории, а выход второго сумматора заведен на второй информационный вход мультиплексора субблока, первый вход первого сумматора схемы коррекции кода прогноза на динамике подключен к выходу мультиплексора блока сглаживания, второй вход первого сумматора схемы, монтажно сдвинутый влево на три разряда, соединен с выходом сумматора буфера предыстории, выход первого сумматора схемы заведен на первый вход второго сумматора, второй вход которого, монтажно сдвинутый вправо на пять разрядов, подключен ко второму входу второго сумматора, а выход его заведен на первый информационный вход мультиплексора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме, адресный вход мультиплексора субблока подключен к прямому («1») выходу триггера режима, а выход субблока является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства; фиг. 2 - схема узла тактирования блока прогноза; фиг. 3 - графическая интерпретация вывода формул расчета кода прогноза на стационарном режиме и коррекции на динамике; приложение (на 3-х листах) - результаты моделирования работы устройства на ЭВМ при обработке нестационарного случайного процесса.

Устройство содержит (см. фиг. 1) блок сглаживания 1, состоящий из многоканального цифрового сглаживающего устройства 2 на m=32 последовательно соединенных каналов (см. авт. св. СССР №686034, кл. G06F 15/32, 1979 и №748417, 1980), регистра 3 задания степени сглаживания (к) и мультиплексора 4, на выходе которого сглаженный код (y_n) медианы СП; блок прогноза, содержащий буфер предыстории 5 из блока 6 регистровой памяти с последовательно соединенными регистрами 7, мультиплексора 8, блока инверторов 9 и сумматора 10; субблок 11 переключения режима работы устройства со стационарного на динамику, содержащий два последовательно подключенных регистров 12 и 13, компаратор 14, два элемента И 15 и 16, реверсивный счетчик 17 и элемент ИЛИ 18; триггер режима 19 (ТГ); узел 20 управления динамикой прогноза, содержащий регистр 21 ввода времени прогноза (h), вход 22 которого является первым управляющим входом устройства, через который вводится виртуальное время прогноза h=АТ, где Т - цикл работы устройства, если принять Т=1 за условную единицу времени, тогда h=A - количество (макс. адрес) регистров 7 в блоке памяти 6, инвертор 23, счетчик 24 времени (h) работы блока прогноза на динамике и мультиплексор 25; второй управляющий вход 26 ввода степени сглаживания (к) СП, информационный (x_n) 27 и тактирующий (f_T) 28 входы устройства; узел 29 тактирования блока прогноза (см. фиг. 2) содержит три элемента задержки 30; субблок 31 расчета кода прогноза на стационарном режиме содержит два сумматора 32 и 33, мультиплексор 34; схему 35 коррекции кода прогноза на динамике из двух сумматоров 36 и 37; выход устройства 38.

Графическая интерпретация линейного алгоритма работы оператора расчета кода прогноза на стационарном режиме представлена на фиг. 3, где Δ0=(Y_n-Y_n-h) и Δ5=(Y_n+5h-Y_n-h) - корректирующие разности прогноза на стационарном режиме, тогда по известным соотношениям в подобных треугольниках имеем:

y'_n=Δ0/h - скорость (1-я производная) медианы СП.

Уравнение (1) реализовано в предложенном устройстве в субблоке 31 расчета кода прогноза на стационарном режиме уже для реального увеличенного в пять раз времени прогноза Н=5h, а выходной код прогноза Y^s_n+5h устанавливается на втором информационном входе мультиплексора субблока.

С началом динамики (переходом медианы СП на нелинейный участок) новая (свежая) информация поступает только на текущий (начальный Y_n) участок буфера предыстории, в конце буфера (Y_n-h) сохраняются данные предыдущего стационарного режима: естественно, получаемые текущие дискреты прогноза неточны и существенно отличаются от реалий. Для использования линейного алгоритма расчета прогноза и на динамике устройство переключается на работу не с полным (h), а усеченным в 8 раз буфером предыстории (медиана СП на динамике в этом случае аналитически как бы подвергается кусочно-линейной аппроксимации, т.е. нелинейная кривая МП заменяется восемью почти прямолинейными отрезками). Теперь в расчете кода прогноза (по линейному алгоритму) участвуют только текущие («свежие») дискреты начального линейного участка буфера предыстории. Получаемый код дает уже точный и достоверный прогноз изменения (роста или снижения) входного процесса на динамике, но только для уменьшенного в 8 раз времени (глубины) прогноза h_k=h/8 (условно, его можно назвать технологическим).

Графическая интерпретация линейного алгоритма работы оператора коррекции кода прогноза на динамике, опирающегося на постулат о кусочно-линейной аппроксимации медианы входного процесса представлена на фиг. 3, где ΔK=(Y^к_n-Y^k_n-h) и ΔR5=(Y_n+5h-Y^k_n-h) - корректирующие разности прогноза на динамике, h_k=h/8, тогда, в соответствии с известными соотношениями сторон в подобных треугольниках, имеем:

Уравнение (2) реализовано в предложенном устройстве в схеме 35 коррекции кода прогноза на динамике, а выходной код прогноза, скорректированный уже для полной упятиренной глубины прогноза H=5h, устанавливается на первом информационном входе мультиплексора 34 субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме 31.

Для определения момента перехода стационарного режима на динамику используется алгоритм фиксации серии из К=8 приращений скорости медианы СП на стационарном режиме одного знака подряд. Приращение - это результат сравнения на каждом такте текущего и предыдущего значений 1-й производной в (у_п) точке буфера предыстории: Δy'_n=y'_n[w]-y'_n[w-1] Разнознаковые приращения скорости медианы СП относительно средней (установившейся) скорости на стационарном режиме равновероятны и подчиняются геометрическому закону распределения Р(Δy'_n=К)=(1/2)^К, для К=8: Р(Δy'_n=8)=1/256≈0.004, т.е. настолько мала, что можно считать появление такой серии началом переходного режима (динамики). Введенный в устройство субблок 11 переключения режима фиксирует такую серию и переключает устройство со стационарного режима на динамику.

Цикл работы устройства состоит из двух тактов. В первом - завершает работу блок сглаживания 1, каждый канал которого реализует оператор экспоненциального сглаживания . Эффективность сглаживания выбирается заданием со входа 26 степени k=0, 1, 2, 3, 4 или 5, которая в свою очередь определяет число задействованных каналов сглаживания m=2^k (1, 2, 4, 8, 16 или 32).

Во втором такте узел тактирования 29 первым минитактом ("а") инициирует работу буфера предыстории 5, субблока 31 расчета и схемы 35 коррекции по формулам (1) и (2). Во втором минитакте «в» в регистр 13 из регистра 12 переписывается предыдущая y'_n[(w-1)] (В), а в последний - текущая y'_n[(w)] (А) дискреты скорости процесса. В третьем минитакте «с» при положительном приращении (+Δy'_n) в компараторе 14 тактирующий импульс поступит на суммирующий (при отрицательном - на вычитающий) вход трехразрядного реверсивного счетчика 17. Через 8 циклов (К=8) приращений одного знака подряд в счетчике выработается импульс прямого (при +Δy'_n) или обратного (при -Δy'_n) переноса, который через элемент ИЛИ 18 установит триггер режима 19 в «1» (ТГ=1). Устройство переключится на динамику. Этот же импульс перепишет в счетчик 24 из регистра 23 узла 20 управления динамикой инверсный код количества тактов (h), т.е. время работы устройства на динамическом режиме. Прямой выход («1») триггера 19 разрешит выдачу кода прогноза Y^d_n+5h на динамике с мультиплексора 34 схемы расчета 31 на выход устройства 38 и переключит мультиплексор 25 узла 20 управления динамикой на работу блока прогноза только с 1/8 частью буфера предыстории процесса, соответственно, с h_k=h/8 (технологическим) временем прогноза.

Переход устройства с динамики на стационарный режим осуществляется сбросом в «0» триггера режима (ТГ=0) импульсом прямого переноса счетчика 24 узла управления 20 после поступления на его счетный вход с тактирующего входа 28 серии h импульсов, т.е. только после заполнения буфера предыстории процесса новой информацией на новом режиме. Мультиплексор 25 переключится на выдачу в буфер предыстории заданного виртуального интервала (времени) прогноза h, а мультиплексор 33 - на выход 36 устройства кода прогноза Y_n+5h.

В приложении приведены результаты моделирования работы устройства.

Реализация в устройстве линейного алгоритма прогноза медианы СП на обоих режимах позволяет без ущерба для точности упростить устройство, увеличить глубину прогноза и повысить быстродействие.

Ниже в таблице приведена линейка алгоритмов реализации расчета кода прогнозов при увеличении времени прогноза в нечетное число раз: Н=к h, где к=1, 3, 5, 7, 9…

ПРИЛОЖЕНИЕ.

Изобретение относится к средствам обработки информации для сглаживания и прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов. Технический результат заключается в повышении достоверности прогнозирования за счет увеличения времени прогноза. Устройство содержит буфер предыстории, узел управления динамикой прогноза, субблок переключения режима работы устройства со стационарного на динамику, субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме со схемой коррекции кода прогноза на динамике. 3 ил., 1 табл.

Цифровое прогнозирующее устройство, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, регистр и мультиплексор, причем выходы каждого m=1, 2, 4, 8, 16 и 32-го каналов заведены на информационные входы мультиплексора, адресный вход которого подключен к выходу регистра, вход последнего подсоединен к первому управляющему входу устройства для задания степени эффективности сглаживания k=0, 1, 2, 3, 4 или 5 (m=2^k), а вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства, и блок прогноза, содержащий буфер предыстории из блока регистровой памяти, мультиплексора, инвертора и сумматора; триггер режима; узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр ввода уставки времени прогноза, вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим виртуальное время прогноза h, инвертор, счетчик и мультиплексор, причем выходные шины регистра ввода времени прогноза подключены, непосредственно, - к первому входу мультиплексора, монтажно сдвинутые вправо на три разряда - к второму входу мультиплексора и, через инвертор, - к входу счетчика, шина прямого переноса которого заведена на «0» вход - шину сброса триггера режима, выход мультиплексора соединен с адресным входом мультиплексора буфера предыстории, а адресный вход мультиплексора узла подключен к прямому «1» выходу триггера режима; субблок переключения режима работы устройства со стационарного на динамику, содержащий два последовательно соединенных регистра хранения текущей и предыдущей дискрет скорости процесса, компаратор, два элемента И, реверсивный счетчик и элемент ИЛИ, причем выход субблока заведен на «1» вход триггера режима и на шину записи счетчика узла управления динамикой прогноза, а информационный вход первого регистра субблока подключен к выходу сумматора буфера предыстории; узел тактирования, содержащий три элемента задержки; схема коррекции кода прогноза на динамике из одного сумматора; схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая два сумматора; субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме, содержащий два сумматор и мультиплексор, отличающееся тем, что первый вход первого сумматора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме подключен к выходу мультиплексора буфера предыстории, второй вход первого сумматора, монтажно сдвинутый влево на один разряд, соединен с выходом сумматора буфера предыстории, выход первого сумматора субблока заведен на первый вход второго сумматора, второй вход которого, монтажно сдвинутый вправо на два разряда, подключен к выходу сумматора буфера предыстории, а выход второго сумматора заведен на второй информационный вход мультиплексора субблока, первый вход первого сумматора схемы коррекции кода прогноза на динамике подключен к выходу мультиплексора блока сглаживания, второй вход первого сумматора схемы, монтажно сдвинутый влево на три разряда, соединен с выходом сумматора буфера предыстории, выход первого сумматора схемы заведен на первый вход второго сумматора, второй вход которого, монтажно сдвинутый вправо на пять разрядов, подключен ко второму входу второго сумматора, а выход его заведен на первый информационный вход мультиплексора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме, адресный вход мультиплексора субблока подключен к прямому «1» выходу триггера режима, а выход субблока является выходом устройства.