Экстраполятор Советский патент 1983 года по МПК G06G7/30 

(54) ЭКСТРАПОЛЯТОР

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных вычислительных машинах и в корректирующих устройствах систем управления. ,

Известны экстраполяторы, вырабатывающие упрежденные значения некоторой изменяющейся во времени функции на основе ее предыдущих значений.

Известен экстраполятор, содержащий два последовательнЬ соединенных интегратора, выходы которых через масштабирующие блоки связаны с входами двух -сумматоров, при этом выход одного из сумматоров связан с входом другого через блок задержки 11Недостатком этого экстраполятора является относительно низкая точность и ограниченный динамический диапазон, что обусловлено как частотными характеристиками существующих блоков запаздывания, так и техническими трудностями, связанными с получением чистого запаздывания в широком диапазоне изменения переменной.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является экстраполятор, содержащий первый.

второй и третий запоминающие блоки, входы которых соединены с выходами первого, второго и третьего ключей, два сумматора, инвертор, интегратор, три коммутатора и генератор-распределитель тактовых импульсов, выходы которого соединены с.управляющими входами соответствующих ключей и соответствукяцих коммутаторов, при

10 этом входы всех ключей соединены с входом экстраполятора, первый, второй и третий входы первого коммутатора соединены соответственно с выходами первого и третьего запомина15ющих блоков, первый, второй и третий входы второго коммутатора соединены соответственно с выходами второго, третьего и первого запоминающих блоков, первый, второй и третий

20 входы третьего кок1мутатора соединены соответственно с выходами третьего, первого и второго запоминакяцих блоков, первые выходы коммутаторов объединены и через инвертор соедине25ны с первым входом интегратора, соединенным через первый блок переменных коэффициентов с первым входом первого сумматора, вторые входы коммутаторов объединены и соединены

30 свторыми входами первого сумматора

и интегратора, третьи выходы коммутаторов объединены и соединены через второй блок переменных коэффициентов с третьим входом первого сумматора, выходы первого сумматора и интегратора соединенна соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход которого является выходом экстраполятора, входы блоков переменных коэффициентов соединены с выходами блока управления 23.

Недостатком известного экстраполятора является невысокая точность при экстраполяции сигналов, изменяющихся на интервале экстраполяции по сложному закону, отличному от линейного.

Цель изобретения - повышение точности путем увеличения числа каналов экстраполяции, что обеспечивает формирование упрежденного значения экстраполируемой функции из большего числа ее текущих дискретных соседних значений.

Поставленная цель достигается тем что в экстраполятор, содержащий первый, второй и. третий ключи, информационные входы которых соединены с входом экстраполятора, а выходы соединены соответственно с входами первого, второго и третьего запоминающих блоков, выход каждого запоминающего блока соединен с соответствующим входом первого, второго и третьего коммутаторов, управляющие входы ключей и коммутаторов соединены с соответствующими выходами генераторараспределителя тактовых импульсов, соответствукяцие выходы коммутаторов объединены, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго блоков переменных коэффициентов, выходы которых соединены с первым и вторым входами первого сумматора, первый инвертор, интегратор, первый вход которого соединен с входом первого блока переменных коэффициентов, выходы первого сумматора и интегратора соединены с входами второго сумматора, выход которого является выходом экстраполятора, введены четвертый ключ, четвертый запоминающий блок, четвертый коммутатор, второй инвертор и третий и четвертый блоки переменных коэффициентов, причем коммутаторы выполнены четырехканальными, информационный вход четвертого ключа соединен с входом экстраполятора, его управляющий вход соединен с соответствующим выходом генератора-распределителя тактовых импульсов, а выход, через четвертый запоминающий блок подключен к соответствующим входам первого, второго и третьего коммутатора и к одному из входов четвертого коммутатора, остальные входы которого соединены соответственно

с выходами первого, второго и третьего запоминающих блоков, выходы четвертого коммутатора с первого по четвертый соединены с соответствующими объединенными выходами первого, второго и третьего коммутатора, первые выходы коммутаторов соединены с входом первого блока переменных коэффциентов, вторые входы коммутаторов подключены через первый инвертор к входу второго блока переменных коэффициентов, третьи выходы коммутаторов через последовательно соединенные второй инвертор и третий блок переменных коэффициентов подключены к третьему входу сумматора, четвертые выходы коммутаторов через четвертый блок переменных коэффициентов подключены к четвертому входу сумматора, второй вход интегратора подключен к входу второго блока.переменных коэффициентов, управляющие входы третьего и четвертого блоков переменных коэффициентов соединены с соответствующими выходами блока управления, управляющий вход четвертого коммутатора подключен к соответствующему выходу генератора-распределителя тактовых импульсов.

Повышение точности работы экстраполятора достигается за счет того, что упрежденное значение экстраполируемой входной функции формируется из четырех ее текущих дискретных соседних значений, что позволяет исключить методическую погрешность при определении упрежденных значений функций, изменяющихся на интервале экстраполяции по.линейному или квадратичному закону, а при изменении входной функции по более сложному закону ошибки экстраполяции соизмерима с среднеквадратичной ошибкой аппроксимации входной функции на интервале экстраполяции полиномом второй степени.

В предлагаемом экстраполяторе осуществляется также выработка упрежденных значений входной функции с упреждением на одну, две, три и более точек за счет введения в экстра-: полятор блоков переменных коэффициентов , соответствующее переключение которых позволяет изменять весовые коэффициенты суммирования дискретных составляющих входного сигнала и тем самым получать различное по значению упреждение.

Кроме того, повышение точности и расширение динамического диапаз®.на работы предлагаемого экстраполятора достигается за счет применения при выработке упрежденного сигнала исключительно линейных операций (инвертирование, интегрирование, суммирование и запоминание). осущест 5 вляемых соответствующими линейными аналоговыми блоками, точность рабо ты которых достаточно высокая и на сегодня составляет 0,01-0,05%. На чертеже представлена блоксхема экстраполятора. Экстраполятор содержит ключи 1 1, запоминающие блоки 2 - 2, коммутаторы 3 - 34 , блоки переменных коэффициентов 4. - 4 , сумматор 5, инверторы 61| и 6, интегратор 7, сумматор 8, блок управления 9. и генератор-распределитель 1 тактовых импульсов. Вход экстраполятор а через ключи 1 - 1 соединен с входами запом нающих блоков 2 - 2 . Выходы запом нающих блоков 2 - 2 соединены с соответствующими входами коммутаторов 3 - Зд таким С1бразом, что на каждом такте работы устройства к вы ходам коммутаторов 3 4 объединенным в четыре автономных канала, поочередно циклически подключаются выходы запоминающих блоков 2 4 Первые, вторые, третьи и четвертые выходы коммутаторов 3 - 34 образуют соответственно первый (А), второй (В), третий (С) и четвертый (О) каналы. Первый канал через блок переменных коэффициентов 4 соединен с первым входом сумматора 5, второй канал через последовательно соедине ные инвертор 6 и второй блок переменных коэффициентов 4 соединен с вторым входом сумматора 5, третий канал через последовательно соедине ные инвертор 6 и третий блок переменных коэффициентов 4з соединен с третьим входом сумматора 5, четвер.тый канал через четвертый блок пере менных коэффициентов 4 соединен с четвертым входом сумматора 5. Одновременно вход блока 4 и выход инвертора 6 соединены с входами ин тегратора 7, а выходы сумматора 5 и интегратора 7 соединены с входами сумматора 8. Управляющие входы блоков переменных коэффициентов 4 - 4 соединены с выходами блока управления 9. Управлякяцие входы ключей и коммутаторов 3 - 3 соединены с соответствующими выходами генератора-распределителя 10 тактовых импульсов . Экстраполятор работает следующим образом. Входной сигнал U(t) поступает од новременно на сигнальные входы всех ключей 1, которые поочередно циклически открываются в начале каждого такта работы устройства на короткие промежутки времени ut, достаточные для передачи мгновенного значения входного сигнала на входы запоминающих блоков 2, где мгновенные зна чения входного сигнала запоминаются, образуя последовательность его дискретных значений для равноотстоя щих промежутков времени, и сохраняются постоянными по амплитуде в течение четырех тактов работы экстраполятора. С выходов запоминающих блоков 2 дискретные значения входного сигнала поступают на входы коммутаторов 3, которые на каждом такте работы экстраполятора поочередно циклически включаются и осуществляют коммутацию выходов запоминающих блоков 2, подключая их поочередно к четырем выходным каналам. Совместная работа ключей 1 и коммутаторов 3 организована таким образом, что на каждом такте работу устройства в выходные каналы коммутаторов 3 поступают четыре соседних дискретных значения входного сигнала, зафиксированных запоминающими блоками 2 в последующие моменты времени,т.е. значения U(t), U(), ) и U(t.-) соответственно (где i 1, 2,3...;n - номер такта работы экстраполятора}, которые на следующем такте работы экстраполятора заменяются новой последовательностью U(.) l}(t ), U(t.) и U(t), сдвинутой относительно предыдущей последовательности на.одно дискретное значение в сторону вытеснения более раннего дискретного значения входного сигнала и т.п. Это достигается тем, что на каждом такте работы устройства циклически последовательно сбрасывают ключ 1 и коммутатор 3, на следующем такте - ключ 1 и коммутатор 3 2 , далее - ключ 1„ и коммутатор 3j и т.д. При этом, для предотвращения внесения помех в выходные каналы коммутаторов 3 ключи 1 сбрасывают с упреждением на некоторое время лt , достаточное для передачи мгновенного значения входного сигнала на вход -соответствующего запоминакяцего блока 2, по отношению, к моменту включения соответствующего коммутатора 3. Таким образом, в выходные каналы коммутаторов 3 поступают квантованные по уровню, причем амплитуда каждого уровня пропорциональна мгновенным значениям входного сигнала в моменты взятия отсчетов, т.е. подачи входного сигнала на входы запоминающих блоков 3, и сдвинутые относительно друг друга на один такт ступенчатые сигналы. Выходы коммутаторов 3 объединены в чеыре автономных канала. Сигнал из первого канала поступает на вход блока переменных коэффциентов 4 , умноается на весовой козффциент М и поступает на первый вход сумматора 5. Сигнал из второго канала поступает на вход инвертора 6 , инвертируется, алее поступает на вход второго блока переменных коэффициентов 4, умножается на весовой коэффициент M,j, поступает на второй вход сумматоpa 5, Сигнал из третьего канала поступает на вход второго инвертора 6 , инвертируется, далее поступает на третий блок переменных коэффициентов 4, умножается на весовой коэффициент М и поступает на третий вход сумматора 5. Сигнал из четвертого канала поступает на вход четвертого блока переменных коэффициентов 4, умножается на весовой коэффициент М и поступает на четвертый вход сумматора 5. Одновременно сигнал из первого канала и с выхода инвертора 6 поступает на входы интегратора 7, на выходе которого Btjpaбатывается непрерывная составляющая упрежденного сигнала, в то время как на выходе сумматора 5 вырабатывается дискретная составляющая упрежденного сигнала. С выхода сумматора 5 и интегратора 7 соответственно дискретная н непрерывная составляющие упрежденного сигнала поступают на входы сумматора 8, где суммируются, образуя непрерывный выходной упрежденный сигнал. Наличие блоков переменных коэффициентов 4 - 4, управляемых от блока управлопия 9, позволяет изменять значе 1ия весовых коэффициентов М - М и тем самым осуществлять экстраполяцию на одну, две и более точек вперед.

Работой всего устройства управляет генератор - распределитель 10 t,) -I-(10D% 2бл,+ 6).1 U(t.) Г--1 I + (2Л)+ 6V + 2) 1 UCt,) i-- где U(t- ) - текущее значение экстJ раполируемой входной величины; - число точек упреждения { л) 0,1 ,2,3. . .т) ( t ) - упрежденное значение экстраполируемой функции. Значения весовых коэффициентов Мд - М4 с которыми осуществлю ется суммирование сигналов, поступающих на вход сумматора 5, при выработке дискретной составляющей упрежденного сигнала задаются с помощью блока управления 9 в соответствии со следующими расчетными соотношенитактовых импульсов, с выхода которого импульсы малой длительности поступают на управляющие входы ключей 1, обеспечивая поочередное циклическое срабатывание одного ключа 1 (открывание) в начале каждого такта, и импульсы длительностью ц, один такт поступают поочередно на управляющие входы коммутаторов 3, также обеспечивая их поочередное циклическое включение, коммутацию и передачу сигналов с выходов запоминающих блоков 2 на выходные каналы коммутаторов 3. На каждом такте работы устройства управляющие сигналы от генератора-распределителя тактовых импульсов 10 поступают на управляющие входы одного из ключей 1 и на один из коммутаторов 3.

Последовательность обработки входного сигнала при прохождении его от входа устройства к выходным каналам коммутаторов 3 приведена в таблице, которая составлена в предположении, что номер такта i совпадает с индексом момента текущего времени и на i-OM такте срабатывают ключ 1 , включенный в цепь запоминающего блока 2 , и коммутатор 3.

Работа экстраполятора без учета переходных процессов (в квазистационарном режиме) может быть описана выражением 15М1-±И21 1 381 u(tj.j . 3--1 ями при экстраполяции с требуемым упреждением л) s . 5 -I- 21 + 19 м, // - 3 ; 5 У + 17 V -t- 3 . 20 / .. . 5-) + 9л + 1 М Таким образом, предлагаемый экстраполятор позволяет с высокой точностью формировать упрежденные значения функции, изменяющейся по сложному закону.

ЗБ, - f(t,0

. - f(V,)

ЗБ- f(t. )

3-1-1

.-.)

ЗБ,

f(t.)

i + 1

ЗБ,

(Ми

ЗБ

2

-x)

ЗБf(--.)

ЗБ4

f(t. )

ЗБ,

141

i + 2

f( 1..)

ЗБ,

4 - f(t,.,)

f(t. )

ЗБ.

f(t. )

ЗБ,

1H

i + 3

.

ЗБ,

f(S4.)

ЗБ,

-

ЗБ, 1 + 4

ЗБ.

- (W

1 + 4

- (%ч.

ЗБ

ЗБ.

Ht) f(t,.,) f(t-.)f(v.,)

.) f(. «V.

U .. 5(t,,,)

f(t- )

f.,) SvJ )

V,

V.. -.

ЗБ.

f(t.

4

- w

i + 5

ЗБ - f(t. )

-

ЗБ. Формула изобретения Экстраполятор, содержащий первый второй и третий ключи, информационные входы которых соединены с входом экстраполятора, а выходы соединены соответственно с входами первого, второго и третьего запоминающих блоков, выход каждого запоминающего блока соединен с соответствующим входом первого, второго и третье го коммутаторов, управляющие входы ключей и коммутаторов соединены с соответствующими выходами генератора-распределителя тактовых импульсов соответствующие выходы коммутаторов объединены, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго блоков пе ременных коэффициентов, выходы которых соединены с первьом и вторым входами первого сумматора, первый инвертор, интегратор, первый вход которого соединен с входом первого блока переменных коэффициентов, выходы первого сумматора и интегратор соединены с входами второго сумматора, выход которого является выходом экстраполятора, отличающий с я тем, что, с целью повышения точ ности за счет увеличения числа каналов экстраполяции, он содержит .четвертый ключ, четвертый запоминающий блок, четвертый коммутатор, второй инвертор и третий и четвертый блоки переменных коэффициентов, причем коммутаторы выполнены четырехканальными, информационный вход чет вертого ключа соединен с входом экет раполятора, его управляющий вход соединен с соответствукадим выходом генератора-распределителя тактовых импульсов, а выход через четвертый

Продолжение таблицы

f(t.4 «(V.) ..)

f(t. J 1 + 5 запоминающий блок подключен к соответствующим входам первого, второго и третьего коммутаторов и к одному из входов четвертого коммутатора, остальные входы которого соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего запоминающих блоков , выходы четвертого коммутатора с первого по четвертый соединены с соответствующими объединенными выходами первого, второго и третьего коммутаторов, первые выходы коммутаторов соединены с входом первого .блока переменных коэффициентов, вторые входы коммутаторов подключены через первый инвертор к входу второго блока переменных коэффициентов, третьи выходы коммутаторов через последовательно соединенные второй инвертор и третий блок переменных коэффициентов подключены к третьему входу сумматора, четвертые выходы коммутаторов через четвертый блок переменных коэффициентов подключены к четвертому входу сумматора, второй вход интегратора подключен к входу второго блока переменных коэффициентов, управляющие входы третьего и четвертого блоков переменных коэффициентов соединены с соответствукмими выходами блока управления, управляющий вход четвертого коммутатора подключен к соответствующему выходу генератора-распределителя тактовых импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 251947, кл. G 06 G 7/30, 1968. 2,Авторское свидетельство СССР по заявке 27268Б7, кл. G 06 iG 7/30, 08.12.78 (прототип)

J л

Т