Генератор случайного импульсного процесса Советский патент 1984 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для воспроизведения потока случайных импульсов заданной формы и может быть использовано при построении имитационно-моделирующей аппаратуры для исследования и оптимизации стру турно сложных систем, при создании автоматизированных систем испыта;1ия на механические, электрические и другие воздействия, в частности. для формирования электрического про цесса управления объекта чи с неравномерными частотными характеристика ми, например, электродинамическим ударным стендом. Известно устройствор содержащее генератор случайных импульсов, циклический регистр сдвига, группу генераторов периодических импульсов, элементы И, ИЛИ fj . Устройство позволяет формировать поток импульсов со случайными интер валами следования импульсов, с. управляемым законом их распределения, но не позволяет формировать более сложные импульсные процессы, напри мер поток импульсов со случайными амплитудами, длительностями и интер валами следования. Кроме того, оно характеризуется сложностью схемного решения (большое количество управляемых генераторов импульсов-), слож ностью настройки на требуемый зако распределения, требующей решения системы уравнений, невозможностью изменения интенсивности потока без перерасчета настройки закона распре деления. Известно устройство, содержащее группу генераторов исходных случайных процессов, группу формирующих фильтров и блок суммирования. Устройство позволяет формировать случайный процесс с заданной произволь ной спектральной плотностью мощности 2 . Однако такое устройство не позво ляет формировать импульсные процессы с заданными произвольными законами распределения амплитуд и време ных параметров. Кроме того, его реализация. требует значительных аппаратурных затрат (большое количество формирующих фильтров и генераторов исходных случайных процессо;в) . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является генератор случайного импульсного пр цесса, содержащий последовательно соединенные блок памяти., датчик случайных чисел, блок управления, первый генератор импульсов и счетчик импульсов, вход блока памяти соединен с вторым выходом- блока уп равления, последовательно соединенные источник эталонных напряжений, первый и второй преобразователи код- напряжение и модулятор полярности выходного сигнала, выход которого подключен к выходу генератора, первый регистрJ первый вход которого соединен с вторым выходом случайных чисел, второй вход - с третьим выходом блока управления, а выход с вторыми входами первого преобразователя код-напряжение и модулятора ПОЛЯРНОСТИ выходного сигнала, реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с четвертым входом блока управления, а выход - с вторым входом второго преобразователя код-напряжение, второй регистр, первый вход которого соединен с первым входом реверсивного счетчика, а второй вход - с вторым входом датчика случайных чисел и третьим входом сче.тчика импульсов, делитель частоты, первый вход которого подключен к выходу второго регистра, а выходд - к второму входу реверсивного счет ика, второй генератор импульсон, выход которого соединен с вторьм входом делителя частоты З . Процесс функционирования генератора можно представить как последовательность повторяющихся циклов, на каждом ИЗ которых формируется импульс треугольной равнобедренной формы со случайной амплитудой (А), длительностью ( и случайным временным интервалом (Т) методу началом текущего и последупцего 11мпульсов (период следования). Каждый цикл начинается тем, что формируется три случайных числа, задающих на данном цикле конкретное значение параметров A,t и Т. При этом датчик случайных чисел последовательно подключается блоком управления к области памяти, в которой хр.нятся последовательности кодов, задающих законы распределения F (Л), ) Ч С) (По существу датчик .случайных чисел и блок памяти представляют собой программно управляемый генератор случайных чисел, формирующий на каждом цикле последовательно три случайных числа). I Первое случайное число записывается в первый регистр, второе - во второй, третье - в счетчик импульсов, после чего разрешается работа счетчика импульсов, делителя частоты и реверсивного счетчика, в котором к началу цикла записаны нули. На второй вход реверсивного счетчика поступают импульсы с выхода делителя частоты, коэффициент деления которого задается в течение цикла кодом, записанным во втором регистре. При этом состояние счетчика с поступлением каждого импульса увеличивается на единицу до момента, когда в нем

будут записаны все единицы, после чегоJпроисходит переключение его в режим обратного счета, а при достижении нулевого состояния работа счетчика на данном цикле запрещается. Таким образом, в течение цикла состояние реверсивного счетчика последователь но изменяется через регулярные промежутки времени с постоянным приращением от нулевого до максимального и обратно. При этом с помощью второго преобразователя код-напряжение, источника эталонных напряжений, первого преобразователя код-напряжение и модулятора полярности выходного сигнала производится преобразование последовательности состояний реверсивного счетчика в аппроксимированный ступенчатый импульс треугольной формы и аналоговое умножение его мгновенной амплитуды с учетом знака на число, записанное в первый регистр.

С помощью первого генератора импульсов и счетчика производится преобразование (развертка) записанного в начале цикла в счетчик числа во временной интервал (Т) периода следования. По окончании преобразования блок управления обеспечивает реализацию нового цикла работы устройства.

Таким образом, генератор формирует поток разнополярных импульсов треугольной равнобедренной формы стремя случайными параметрами:амплитуда,длтельность и период их следования суп равляемыми законами распределения.

Недостаток известного генератора состоит в том, что он не позволяет формировать импульсные процессы с формой импульсов, отличной от треугольной, например с полусинусоидалной , трап ецеидаль ной.

Кроме того, он не позволяет формировать импульсный случайный процесс с произвольными соотношениями значений длительностей временных параметров. Генератор формирует прцесс с длительностями импульсов, кратными минимальной длительности.

В известном генераторе не предусмотрена возможность простого задания смещения законов распределения временных параметров формируемого процесса, т.е. изменение минимальной длительности импульсов, пауз.

Известный генератор характеризуется низкой точностью воспроизведения формы импульса в заданной точке объекта с неравномерностями амплитудно- и фазо-частотных характеристик, например, электродинамического стенда. Неравномерности А X и Ф X приводят к искажениям формы импульса на испытуемом объекте. Форма А X и Ф X стенда изменяется в зависимости

от массы и механических свойств установленного на нем объекта, условий внешней среды. Кроме того, при одинаковых условиях А X и Ф X разных стендов имеют отличающуюся форму. Поэтому для обеспечения эквивалентности испытаний изделий необходимо формировать на выходе генератора импульсный процесс со сложной формой импульсов, откорректированной с

10 учетом искажений, вносимых из-за неравномерностей Ф X и А, X объекта управления, что невозможно, в случае применения устройства-прототипа.

Кроме того, в известном генерато5ре для задания длительности импуль.са и периода следования имеются две независимые группы блоков. Формирование интервала периода следования осуществляется с помощью первого

0 генератора импульсов и счетчика импульсов. Задание длительности импульса осуществляется с помощью второго генератора импульсов, второго регистра и делителя частоты.

5 Поэтому оба параметра формируются последовательно во времени, их можно формировать на одном и том же оборудовании (что и реализуется в предлагаемом устройстве).

Целью изобретения является повы0шение точности формирования импульсных случайных воздействий на объекте управления (например, электродинамическом стенде).

5

Поставленная цель достигается тем, что в генератор случайного импульсного процесса, содержащий датчик случайных чисел, первый выход которого соединен с информационным

0 входом первого регистра памяти, второй регистр пг1мяти, первый блок памяти, генератор импульсов, выход которого соединен с входсм делителя частоты, счетчик, первый преобразо5ватель код-напряжение, выход кото- рого соединен с управляющим входом, второго преобразователя код-напряжение, введены второй блок памяти, цифровой фильтр и триггер, единичный

0 выход которого соединен с управлшэщими входами первого преобразователя код-напряжение, второго регистра памяти и первого блока памяти, а также с первым входом Опрос датчи-5ка случайных чисел, второй выход которого соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соединен с информационным входе второго преобразователя код - напряжение, выход кото0рого является выходом генератора, выход генератора импульсов соединен с вторьм входе Опрос датчика случайных чисел, выход первого регистра памяти соединен с адресным входом первого блока памяти, выход которого соединен с управляющим вхо дом делителя частоты, выход которого соедин со счетным входом счетчи ка, выход переполнения которого сое динен со счетным входом триггера и с управляющим входом первого регистра, памяти, информационный выход счетчика соединен с адресным входом второго блока памяти, выход которог через цифровой фильтр соединен с информационным входом первого преоб разоватвля код-напряжение. На чертеже представлена структур ная схема генератора случайного импульсного процесса. Генератор содержит генератор 1 импульсов, делитель 2 частоты, счет чик 3, блок 4 памяти, цифровой фильтр 5, первый б и второй 7 преобразователи код - напряжение, триг гер 8, датчик 9 случайных чисел, .первый 10 и второй 11 регистры памяти, блок 12 памяти. Все блоки устройства за исключением датчика случайных чисел 9 и циф рового фильтра 5 являются типовыми блоками и узлами вычислительной : ехники. Генератор 1 импульсов предназначен для формирования опорной последовательности импульсов развертки процесса, для чего может быть использован любой из известных, например на интегральной схеме 155АГ1 по типовой схеме включения. Для обеспечения высокой стабильности характеристик формируемого процесса желательно применять генератор на кварцевом разонаторе. Первый вход делителя частоты 2 является счетным входом, второй - входом управления коэффициента пересчета. Наиболее простой является реализация делителя частоты на интегральных микросхемах К589ХЛ4, при этом для обеспечения требуемого диапазона заданий коэффициента пересчета последовательно соединяется несколько элементов. Счетчик 3 содержит счетный вход, выход кода состояния и выход переполнения, в интегральном исполнении существует счетчик подобного типа 155ИЕ7. Триггер 8 содержит счетный вход и выход и может быть выполнен На микросхеме К155ТМ2. Регистры 10 и 11 содержат входы информации, входы управления и вы:юды, могут быть выполнены на микросхемах регистров 155ИР1, 155ТМ8. Блок памяти 4 -содержит вход адреса и выход информации,.второй блок памяти 12 содержит первый вход адреса, выход информации и второй вход управления, выбирающий первую или вторую половину второго блока памяти 12. So время формирования процесса информация в обоих блоках памяти 4 и 12 не меняется, поэтому входы записи информации не показаны. Оба блока памяти 4 и 12 могут быть вьшолнены на интегральных элементах памяти 155РП1, 155РУ5, 155РУ2,188РУ2 и др. Первый преобразователь код-напряжение б содержит вход преобразуемого кода, выход напряжения и вход разрешения преобразования, второй преобразователь код - напряжение 7 содержит вход преобразуемого кода, вход опорного напряжения и выход. Преобразователи могут быть выполнены на элементах 572ПА1. Даггчик случайных чисел 9 предназначен для формирования трех потоков случайных чисел с законами распределения, вычисляемыми исходя из требуемых характеристик формируемого процесса. Первый поток чисел поступает на 2-й выход датчика случайных чисел 9 два других потока Е режиме разделевкл времени поступают на 1-й вход датчика случайных чисел 9, В качестве датчика случайных, чисел может быть использовано известное устройство 4, позволяющее формировать множество потоков случайных чисел с произвольными требуемьп 1и законами распределения о Цифровой фильтр 5 предназначен для коррекции поступающей на его вход последовательности кодов с учетом искажений, вносш.олх объектом управления (например, электродинамическим стендом) из-за неравномерности его А,X иФ X (в качестве цифрового фильтра может быть использовано известное 5 устройство) . Работу генератора можно представить в виде непрерывной последовательности циклов, на каждом из которых он формирует импульса заданной формы со случайной амплитудой А, длительностью. и паузой Q между окончанием данного импульса и началом последующего. Каждый цикл состоит из ряда шагов, на каждом шаге происходит формирование одной точки импульсного процесса, К моменту начала очередного цикла триггер 8 и счетчик 3 устанавлива- ется в нулевое состояние, и из датчика случайных чисел 9 в первый 10 и второй 11 регистры записываются случайные числа, задающие длительность импульса и амплитуду импульса соответственно. В делителе частоты 2 устанавливается коэффициент пересчета, задаваемый кодом, поступающим из второго блока памяти 12. Адрес считывания во второй блок памяти 12 поступает с выхода первого регистра 1Q. Нулевое состояние триггера 8 разрешает работу первого преобразователя код - напряжение б

и считывание информации из первой половины второго блока памяти 12. Импульсы с генератора 1 импульсов поступают на первый вход делителя частоты 2, осуществляющего деление частоты последовательности импульсов с коэффициентом пересчета, определяемым кодом числа, поступаклдим на второй вход делителя частоты 2. из второго блока памяти 12 (генерация импульса). Период импульса с делителя частоты 2 определяет длительность шага и длительность интервала дискретизации формируемого процесса. Импульсы с выхода делителя частоты 2 поступают на счетный вход счетчика 3. По каждому импульсу происходит последовательное увеличение состояния счетчика 3 на единицу, начиная с нулевого состояния в начале цикла. При этом из первого блока памяти 4 происходит последовательное считывание записанной информции по адреса, формируемым счетчиком 3. Последовательность считанных кодов проходит через цифровой фильтр 5. Первый преобразователь код - напряжение 6 преобразует последовательность кодов с цифрового фильтра 5 в аналоговую форму с учетом их знака, т.е. в электрический сигнал формируемого импульса. Этот сигнал поступает на вход опорного напряжения второго преобразователя код - напряжение 7 и проходит на его выход с амплитудой, пропорциональной коду на входе, поступающему со второго регистра 11. Второй преобразователь код - напряжение 7 выполняет функцию усилителя с цифровым управлением коэффициентом усиления.

В первом блоке памяти 4 записана последовательность кодов, описывающая требуемую форму сигнала. При необходимости получения этой формы в некоторой точке объекта с неравномерностями А X и Ф X, параметры цифрового фильтра 5 (А X и Ф X) рассчитываются на основании частотных характеристик объекта таким образом, чтобы после прохождения сигнала через объект его формы в заданной точке соответствовала требуемой.

После того, как счетчик 3 достигает максимального состояния, следующим импульсом с делителя частоты 2 счетчик 3 устанавливается в нулевое состояние, а триггер 8 импульсом переполнения с второго выхода счетчика 3 - в единичное состояние. Высокий потенциал с выхода триггера 8 поступает на вход управления второго блока памяти 12, разрешая считывание кодов из второй его половины, и на вход первого преобразлвателя код - напряжение б, запрещая дальнейшее преобразование, т..е. на выходе его - нулевой уровень. Кроме того, импульс переполнения поступает на вход управления первого регистра 10, и в него записывается новый код из датчика случайннх чисел 9, опрееляющий новый адрес считывания во втором блоке памяти 1 и, соответственно, изменяется коэффициент пересчета делителя частоты 2 генерация паузгы . После того, как счетчик 3 снова достигнет максимального состояния, следующим импульсом с делителя частоты 2 счетчик 3 устанавливается в нулевое состояние, триггер 8 импульсом переполнения со второго выхода счетчика 3 - в нулевое состояние, чам разрешается работа первого преобразователя код-напряжение б, считывание информации из первой поовины блока памяти 14 и производится прием новых кодов в первый 10 и второй 11 регистры из датчика случайных чисел 9, определяющих длительность и амплитуду импу.пьса соответственно; начинается формирование следующего импульса, т.е. цикл формирования процесса повторяется сначала.

Датчик случайных чисел 9 формируejT noTOK чисел, принимающих значения О,К . Длительности импульсов и пауз принимают значения, определяемые кодами, записанными во втором блоке памяти 12, с вероятностями, равными вероятностям соответствующих случайных кодов, формируемых датчиком случайных чисел 9. Во второй блок памяти 12 может быть записана любая требуемая последовательность кодов. При этом длительности импульсов (и пауз) могут иметь произвольные требуемые соотношения (в том исле и кратные минимальной, как в устройстве-прототипе). Это обеспечивает возможность-произвольного квантования требуемых знаков распределения, что позволяет повысить точность моделирования и адекватность формируемых воздействий реальным. Прибавление к последовательности кодов, записанной в первой или второй половине второго блока памяти 12, постоянных чисел обеспечивает задание постоянного смещения в длительности импульсов или пауз,, т.е. обеспечивается управление смещением закона распределения. Таким образом, предлагаемое устройство формирует импульсный процесс со случайными амплитудой, длительностью импульсов и пауз мёяцй импульсами, с произвольной формой импульса в заданной точке объекта.

Предлагаекшй генератор случайного импульсного процесса позволяет проводить испытания на импульсные воздействия с любой заданной формой импульса, случайными амплитудой,

длительностью импульса и длительностью паузы; характеризуется широними функциональными возможностями управления параметрами случайного импульсного процесса, так как возможно задание произвольных соотноД1ений между длительностями импульсов (пауз), как кратных так и не кратных минимальной, простотой упра ления Постоянным смещением значений длительности. В совокупности с возможностью задания произвольных вероятностей значений длительностей ИМПУЛЬСОВ (пауз) и амплитуд это позволяет настроитьгенератор таким образом, что имитируемый им процесс оказывается наиболее адекватным некоторому реальному по соответст вующим статистическим характеристикам, временной конструкции и функции спектральной плотности мощности

Генератор обеспечивает высокую точность формирования импульсных воздействий на объекте управления (например, на электродинамическом стенде) при испытаниях на случайный удар, поскольку вследствие использования цифрового фильтра 5 он воспроизводит форму ИМПУЛЬСОВ на CBoeiv выходе, откорректированную с учетом вносимых объектом искажений из-за -нелинейности его Ф X и А X, благодаря чему достигается эквивалентность испытаний изделий на различных с-сендах в различных условиях. При изменении условий или смене объек-Са управления (стенда) цифровой фильтр перестраивается в соответствии с А X и Ф X объекта управления.

В качестве базового объекта использована микро-ЭВМ СМ-1800 (вариант СМ50/40), s состав которой входит преобразователь код - напряжение. С помсяфю данной ЭВМ можно .формировать случайный импульсный

процесс, используя алгоритм функцио нирования предлагаемого генератора либо другой аналогичный алгоритм (базовый объект и предлагаемый генератор обладают в принципе одинаковой точностью).

Быстродействие предлагаемого генератора примерно в 50-100 раз больше, чем базового объекта; стоимость базового объекта 50 тыс.руб.,

0 а стоимость предлагаемого устройства около 6 тыс. руб.

Для обслуживания одной ЭВМ СМ1ЬОО требуется два человека, в то время как один человек может обслу5 живать 3-5 предлагаемых устройств, Кроме того, предлагаемое устройство потребляет меньше электроэнергии и занимает значительно меньшую площадь,, чем базовое.

0 Особенно эффективно применение предлагаемого генератора случайного импульса в составе автоматизированных испытательных систем. При этом управляющая мини-ЭВМ, например

5 Электроника-бО, осуществляет начальную загрузку блоков памяти генератора , датчика случайных чисел и цифрового фильтра; затем, в процессе нескольких циклов его работы.

0 обеспечивает постройку цифрового фильтра с учетом вносимых искажений конкретным объектом управления (например, электродинамическим стендом), добиваясь требуемой формы и парамет ров импульсов непосредственно на

объекте управления, после чего предлагаемый генератор случайного импульсного процесса может работать автономно, а управляющая ЭВМ переключается на решение других задач.

0 Таким образом, управляющая ЭВМ может обслуживать несколько генераторов подобного типа и выполнять в то же время ряд других действий, связанных с решаемой задачей.

Ш

ГЕНЕРАТОР СЛУЧАПНОГО ИМПУЛЬСНОГО ПРОЦЕССА, содержащий датчик сутучайных чисап, первый выход которого соединен и информационным входс первого регистра памяти, второй регистр памяти, первый блок памяти, генератор и тульсов/ выход которого соединен с входом делителя частоты, счетчиз, первый преобразователь к од-напряжение, выход кст орого соединен с управляющим входом второго, преобразователя код-напряжение отличающийся тем. что, с целью повышения формирования импульсов, он содержит второй блок памяти, цифровой фильтр и триггер, единичНЕлй выход которого соединен с управляющими входами первого преобразователя код-напряжение, второго регистра памяти и первого блока памяти, а таюхе с первш1 входом.- Опрос датчика случайных чисел, второй выход которого соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соединен с информационным входом второго преобразователя код-напряжение,, выход которого является выходом генератора , выход генератора импульсов соединен с вторым входом Опрос дат чика случайных чисел, выход первого (Л регистра памяти соединен с адресны входом первого блока памяти, выход с которого соединен с управляю1дам входом делителя частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход переполнения которого соединен со счетным входсм триггера и с управляющим входом первого регистра памяти, информационный вы ход счетчика соединен с адресным входом второго блока памяти, выход со которого через цифровой, фильтр соединен с информационным входом первого преобразователя код-напряжение. со