ЦИФРОВОЕ ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2020 года по МПК G06F17/17 

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 скоростью медианы (детерминированной основы) СП, второй имеет нелинейный характер 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 прототипе, как и в аналогах, максимальная глубина (время) прогноза определяется временным интервалом (базовым периодом h) между текущей y_n и конечной y_n-h дискретой (ординатой) буфера хранения предыстории входного сглаженного дискретного случайного СП, а для вычисления кода прогнозируемой дискреты y_n+h используется оператор расчета по аппроксимирующему многочлену по трем точкам (y_n, y_n-1, y_n-2) буфера предыстории способом наименьших квадратов. Однако этот алгоритм позволяет задавать время прогноза не более половины базового периода буфера предыстории H=h/2. При использовании оператора расчета по 4-м точкам (y_n, y_n-1, y_n-2, y_n-3) время прогноза составит только треть базового периода буфера предыстории H=h/3.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в упрощении устройства, путем реализации алгоритма линейного прогноза на стационарном режиме, что позволяет увеличить глубину прогноза до полного базового периода хранения предыстории H=h, а для расчета кода прогноза использовать только две крайние дискреты буфера (y_n и y_n-h) по несложным формулам линейной алгебры.

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, для решения поставленной задачи в блок прогноза введены субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме, содержащий сумматор и мультиплексор, причем первый вход сумматора, монтажно сдвинутый влево на один разряд, подключен к выходу сумматора буфера предыстории, второй вход этого сумматора заведен на выход мультиплексора буфера предыстории, выход сумматора субблока подключен к второму информационному входу мультиплексора, выход последнего является выходом устройства, и схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая сумматор, на первый вход которого заведен выход мультиплексора блока сглаживания, второй вход сумматора, входные шины которого, монтажно сдвинутые влево на три разряда, подключены к выходу сумматора буфера предыстории, выход сумматора подсоединен к первому информационному входу мультиплексора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме, а адресный вход мультиплексора субблока подключен к прямому («1») выходу триггера режима.

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 время прогноза h=AT, 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 сумматор 32 и мультиплексор 33; схему 34 коррекции кода прогноза на динамике из сумматора 35; выход устройства 36.

Графическая интерпретация линейного алгоритма работы оператора расчета кода прогноза на стационарном режиме, опирающегося на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса представлена на фиг. 3, где Δ0=(Y_n - Y_n-h) и Δ1=(Y_n+h - 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, а выходной код прогноза Y^s_n+h устанавливается на первом 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 (т.е. нелинейная медиана СП на динамике аналитически как бы подвергается кусочно-линейной аппроксимации). 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).

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(Δу'_n=К)=(1/2)^К, для К=8: Р(Δу'_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.

Графическая интерпретация линейного алгоритма работы оператора коррекции кода прогноза на динамике, опирающегося на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса представлена на фиг. 3, где ΔK=(Y^к_n - Y^k_n-h) и ΔR1=(Y^к_n+h - 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 34 коррекции кода прогноза на динамике, а выходной код прогноза схемы, скорректированный уже для заданной (полной) глубины прогноза h, устанавливается на втором информационном входе мультиплексора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме 31.

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 32 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 34 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 (+Δу'_n) в компараторе 14 тактирующий импульс поступит на суммирующий (при отрицательном - на вычитающий) вход четырехразрядного реверсивного счетчика 17. Через 8 циклов (К=8) приращений одного знака подряд в счетчике выработается импульс прямого (при +Δу'_n) или обратного (при -Δу'_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+h на динамике с мультиплексора 33 схемы расчета 31 на выход устройства 36 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 интервала (времени) прогноза h, а мультиплексор 33 - на выход 36 устройства кода прогноза Y_n+h.

В приложении приведены результаты моделирования работы устройства.

Столбец №5: ΔP_k⁼(Y^d_n+h - Y_n [w]) - погрешность прогноза с коррекцией на динамике (ТГ=1).

Столбец №8: ΔР=(Y^s_n+h - Y_n [w]) - погрешность прогноза без коррекции на динамике (ТГ=0).

Столбцы №6 и №9: % - точность прогноза в %.

Реализация в устройстве линейного алгоритма прогноза медианы СП на обоих режимах с применением кусочно-линейной аппроксимации ее на динамике позволяет без ущерба для точности упростить устройство, увеличить глубину прогноза и повысить быстродействие.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в упрощении устройства, путем реализации алгоритма линейного прогноза на стационарном режиме, что позволяет увеличить глубину прогноза до полного базового периода хранения предыстории. Технический результат достигается за счёт цифрового прогнозирующего устройства, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, регистр, мультиплексор; 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, инвертор, счетчик и мультиплексор; субблок переключения режима работы устройства со стационарного на динамику, содержащий два регистра хранения текущей и предыдущей дискрет скорости процесса, компаратор, два элемента И, реверсивный счетчик и элемент ИЛИ; узел тактирования, содержащий три элемента задержки, причём в блок прогноза введены субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме, содержащий сумматор и мультиплексор, и схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая сумматор. 3 ил.

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 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, отличающееся тем, что в блок прогноза введены субблок расчета кода прогноза на стационарном режиме, содержащий сумматор и мультиплексор, причем первый вход сумматора, монтажно сдвинутый влево на один разряд, подключен к выходу сумматора буфера предыстории, второй вход этого сумматора заведен на выход мультиплексора буфера предыстории, выход сумматора субблока подключен к второму информационному входу мультиплексора, выход последнего является выходом устройства, и схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая сумматор, на первый вход которого заведен выход мультиплексора блока сглаживания, второй вход сумматора, входные шины которого, монтажно сдвинутые влево на три разряда, подключены к выходу сумматора буфера предыстории, выход сумматора подсоединен к первому информационному входу мультиплексора субблока расчета кода прогноза на стационарном режиме, а адресный вход мультиплексора субблока подключен к прямому («1») выходу триггера режима.