Адаптивное устройство для определения среднего значения случайного процесса Советский патент 1983 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к специализирова-нным средствам автоматики и вычислительной техники и предназначено для определения среднего значения стационарных эргодических случайных процессов в условиях недостатка априорной информации о корреляционных свойствах исследуемых процессов при вычислении вероятностных характеристик об-ьектов в различньис физических экспериментах.

Известно адаптивное устройство для определения среднего значения, содержащее последовательно соединенные первый усреднитель, первый формирователь модуля, блок формирования заданной погрешности, блок вычитания, ко входу первого формирователя модуля подключены после.дозательно соединенные вычитающее устройство, второй усреднитель, второйформирователь модуля, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, к выходу которого подключен вход блока коррекции, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго усреднителей11

К недостаткам этого устройства следует отнести низкое быстродействие при малых уровнях измеряемого среднего значения, так как при среднем значении, близком к нулю, блоки устройства должны обладать большой разрядностью, т.е. избыточной точностью, что требует дополнительного увеличения интервала анализа .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является адаптивное устройство для определения среднего значения случайного процесса, содержащее блок регулирования постоянной усреднения первый формирователь модуля, блок задания порогового уровня, блок формирования заданной погрешности и последовательно соединенные первый усреднитель, первый блок вычитания, второй усреднитель, второй формирователь, второй блок вычитания, при этом второй вход второго блока вычитания подключен к выходу блока формирования заданной погрешности, входы которого подключены соответственно к выходу первого формирователя модуля и блока задания порогового уровня, а выход второго блока вычитания соединен со входом блока регулирования Постоянной усреднения, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго усреднителей С 2 1

Существенным недостатком известного устройства является возможност определения среднего значения слу-

чайного процесса при динамическом диапазоне его изменения, ограниченном из-за задания величины догустимой погрешности измерений при помощи введения абсолютного порогового уровня среднего значения.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона определения величины среднего значения анализируемого случайного процесса.

. Поставленная цель достигается тем, что в адаптивное устройство для определения среднего значения случайного процесса, содержащее первый блок усреднения, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания и является первым входом устройства, информационный вход первого блока усреднения объединен с вторым входом первого блока вычитания и является первым входом устройства, выход первого блока вычитания соединен с информационным входом второго блока усреднения и является вторым выходом устройства, выход второго блока усреднения через блок вычисления модуля подключен к первому входу второго блока вычитания, выход которого через блок формирования сигналов коррекции подключен к управлякнцим входам первого и второго блоков усреднения, йторой вход второго блока вычитания соединен с выходом блока формирования заданной погрешности, первый вход которого является вторым входом устройства, введены последовательно соединенные квадратор и третий блок усреднения, управляющий вход которого подключен к .выходу б|Лока формирования сигналов коррекции, выход третьего блока усреднения объединенс вторым входом блока формирования заданной погрешности и является третьим выходом устройства, причем вход квадратора.подключен к выходу первого блока вычитания.

Блок фррмирования заданной noi- решности содержит узел вычисления Квадратного корня и умножитель, первый вход которого является первым входом блока, второй вход умножителя подключен к выходу узла вычисления квадратного корня, вход которого является BTopfcJM входом блока, выход умножителя является выходом блока.

На фиг. 1 представлена структурная схема адаптивного устройства; на фиг. 2 - схема, блока формирования заданной погрешности; на фиг.З схема блока формирования сигналов коррекции.

Адаптивное устройство для определения среднего значения случайного процесса содержит последова5 соединенные первый блок 1 усреднения,- первый блок 2 вычитани второй блок 3 усреднения, блок 4 . вычисления модуля. Последовательно соединены квадратор 5, третий блок 6 усреднения. К выходу блока 7 фор мирования заданной погрешности под ключен первцй вход второго блока 8 вычитания, второй вход которого подключен к выходу блока 4 формиро вания модуля, а выход второго блока 8 вычитания соединен- со входом блока 9 формирования сигналов коррекции, выход которого соединен с управляющими входами блоков 1, 3 и 6 усреднения. , . Блок 7 формирования заданной погрешности содержит последователь но соединенные узел 10 вычисления квадратного корня и умножитель 11, при этом другой вход,умножит-еля 11 является входом установки величины заданной относительной погрешности определения среднего .значения. Блок 9 формирования сигналов ко рекции такой же, и в известном устройстве, и содержит узел 12 сра нения и ключ 13, при этом первый вход узла 12 сравнения и информационный вход ключа 13 объединены и являются входом блока, на второй вход узла 12 сравнения подается нулевой потенциал. Выход узла 12 сравнения соединен с управляющим входом ключа 13, выход которого является выходом блока 9. Адаптивное устройство работает следующим образом. В начале, работы в блоках 1,3 и 6 усреднения установлена начальная величина d- постоянной времени усреднения, например, минимально возможная величина, соответствующа наиболее высокочастотному диапазону работы адаптивного устройства. Блоки 1, 3 и 6 усреднения могут быть выполнены, например, в виде RC-цепей или их цифровых аналогов . Анализируемый сигнал x(t) подае ся на вход блока 1 усреднения и с помощью полученной начальной оценки среднего значения М в блоке 2 вычитания осуществляется грубое центрирование сигнала /t) X. (t) - NTj5(t) . После этого центрированный сигная x(t) поступа.ет во второй блок 3 усреднения, в котором усредняется, а в квадраторе 5 он возводится в квадрат и подается в третий блок 6 усреднения, в котором формируется, оценка дисперсии .DCx).. Одновременно с выхода блока 3 усреднения оценка М §(t) поступает через блок 4 во второй блок 8 вычитания. На второй вход этого блока 8 вычитания подается сформированная в блоке 7 формирования заданной погрешности величина 4 . где заданная величина относителд ной погрешности определения среднего сигнала; Л1 абсолютное значение допустимой погрешности М. Полученная на выходе.блока 8 вычитания разность поступает в блок 9 формирования сигналов коррекции, в котором формируется управляющее воздействие S в соответствии с выражениема,. |Й. (l(t)), ,2,..., п - номер шага кор- . ректировки постоянной усреднения otj; 1/ - Переключающая функция вида jo, при сформированное управляющее воздействие Q, через управляющие входы блоков 1, 3 и 6 усреднения осуществляет регулировку в них постоянных усреднения, устанавливая за несколько шагов корректировки такое значение оС{ + , при котором выполняется условие Q .; О, при Таким образом, использование усреднения центрированного сигнала . во втором блоке 3 усреднения позволяет выявить величину отклонения оценки среднего значения М (флукгтуации М в течение интервала анализа) от его истинной величины М(х), а последующее сравнение величины (модуля) отклонения с величиной Д заданной погрешности измерения позволяет осуществить приведение отклонений к реальной дисперсии DX анализируемого сигнала (с1мплитудному диапазону сигнала) и сформировать управляющее, воздействие. Вследствие этого становится возможным определение средних значений сигнала очень малых уровней, вплоть до нуля, т.е. увеличивается диапазон определения . возможных -значений М(х) . Это способствует осуществлению точного центрирования сигнала (с выхода блока 2 - X ,) . Блок 7 формирования заданной погрешности может быть выполнен по структурной схеме на фиг. 2: с выхода узла 10 извлечения квадратного корня полученная величина

среднеквадратического отключения

x-Fx

подается в

сигнала

умножитель 11, а на второй вход умножителя 1.1 вводится постоянный коэффициент о , характеризующий заданную относительную погрешность определения среднего значения. Полученное произведение rf 5 -л является заданной абсолютной погрешностью - приведенной погрешностью относительно фактического среднеква рратического отклонения сигнала dx что позволяет обеспечить работоспособность адаптивного устройства даже при очень малых значениях Й.

Предлагаемое адаптивное устройство обладает существенными технико-экономическими достоинствами. Известное устройство обеспечивает измерения оценки М. с заданной погрешностью в диапазоне изменения величины MX, ограниченном снизу величиной пороговго уровня, при малых величинах истинного значения Мх (в том числе И равных или близких нулю) становится невозможным определение искомого среднего значения вследствие задания величины погрешности относительно самой искомой оценки Мх и введения Порогового уровня для формирования управляющих воздействий . Это способствует увеличению быстродействия устройства, но ограничивает динамический диапазон определения оценки среднего значения.

В предлагаемом техническом решении этот недостаток устранен введением квадратора, осуществляющего нелинейную операцию квадратироваимя. в результате этого полоса сигнала расширяется и соответственно уменьшается интервал коррекции В результате автоматической корректирбвки постоянных усреднения в адаптивном устройстве начинает выполняться условие согласования частотных характеристик тракта измерения с частотными свойствами исследуемого сигнала, которые априорно неизвестны.

Таким образом, изобретение позволяет расширить динамический диапазон работы адаптивного устройства и, кроме того, дополнительно сформировать оценку дисперсии исследуемого сигнала и осуществлять центрирование его, что необходимо при последующем анализе вероятностных характеристик случайного процесса в измерительно-вычислительных комплексах, в состав которых может вхОдить предлагаемое адаптивное устройство .

Следовательно, общий технико-экономический эффект предлагаемого технического решения состоит как из улучшения технических параметров адаптивного устройства и измерения Мх в 5-10 раз меньшего уровня, так и из расширения областей его примет нения.

Предлагаемое устройство может быть применено для оперативной обработки случайных процессов в условиях априорной неопределенности о диапазоне изменения среднего значения сигнала, что характерно для многих технических и медицинских экспериметов. Кроме того, адаптивное устройсво может быть входным блоком для аппаратуры ШИРОКОГО назначения.

1. АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДНЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА, содержащее первый блок усреднения, выход которо- , го соединен,с первым входом первого блока вычитания и является первым входом устройства/ информационный вход первого блока усреднения объединен с вторым входом первого блока вычитания и является, первым. входом устройства, выход первого блока вычитания соединен с информационным входом второго блока усреднения и является вторым выходом устройства, выход второго блока усреднения .через блок вычисления .V модуля подключен к первому входу второго блока вычитания, выход которого через блок формирования . . сигналов коррекции подключен к управляющим входам первого и втогэого блоков усреднения, второй вход второго блока вычитания соединен с выходом блока формирования заданной погрешности, первый вход которого является вторым входом устройства, отличающееся тем, что, с це.71ью увеличения динамического диапазона определения величины среднего значения случайного процесса, в него введены последовательно, соединенные квадратор и третий блок усреднения, управляющий вход которого подключен к выходу блока формирования сигналов коррекции, выход третьего блока ус- . реднения объединен с вторым входом, блока формирования заданной погреш(Л ности и является третьим выходом с устройства, причем вход квадратора подключен к выходу первого блока вычитания. 2. Устройство по п. 1, о ,т л ичающееся тем, что блок формирован.ия заданной погрешности, содержит узел вычисления квадратно42 го корня и умножитель, первый вхЪд которого является первым входом 00 блока, второй вход умножителя подда да ключен к выходу узла вычисления квадратного корня, вход которого, является вторым входом блока, вы- . 4 ход умножители является выходом блока. .