Устройство для квантования случайных процессов Советский патент 1984 года по МПК G06F17/18 

уп- подключен к выходу блока выборки

вход которого объединен с равляющим входом коммутатора и

1084812

адреса

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее блок вычитания, блок усреднения, блок задания констант, блок управления, состоящий из регистра, элемента И, элемента НЕ, счетчика, порогового элемента и генератора импульсов, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен.к первому входу порогового элемента, второй вход которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу регистра, второй вход элемента И объединен с входом элемента НЕ и подключен к выходу порогового элемента, выход элемента И соединен с управляющим входом первого блока памяти, аналого-цифровой преобразователь, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход является выходом устройства, блок выборки адреса, отличающееся тем, что, с целью повышения его быстродействия, введены ВТОРОЙ блок памяти, первый и второй элементы И, первый и второй делители, счетчик импульсов, амплитудный селектор, блок масштабирования и коммутатор , информационные входы которого являются соответственно информационными входами устройства, а информационный выход коммутатора соединен с первым входом первого элемента И ,и информационным входом аналого-цифров ого преобразователя, второй вход первого элемента И соединен с выходом элемента НЕ блока управления, а выход первого элемента И подключен к информационному входу первого блока памяти и входу блока усредне 1ия, I выход которого соединен с первым входом амплитудного селектора, второй (Л вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход амплис тудного селектора соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента блока управления, а выход через блок масштабирования соединен с первыми входами блока вычитания и второго элемента И, выход второго элемента И подключен к информационно му входу второго блока памяти, выход которого соединен с входом делителя частоты, с вторым входом блока вычитания и с первым входом второго делителя , второй вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к блоку задания констант, а выход соединен с вторым входом второго элемента И и с управляющим вхо дом второго блока памяти, адресный

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах сбора информации со стохастических объектов, например с объектов нефтаного производства.

Известно устройство для квантования случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом устройства, блок вычитания и блок управления .

Недостатками этого устройства являются низкая точность квантования случайного процесса и малое быстродействие при анализе большой совокупности случайных процессов (более ста) ,

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для квантования случайных процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом устройства, делитель частоты, выход которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, блок усреднения, первый блок памяти, блок вычитания, задатчик относительной ошибки и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого блока памяти 2 .

Однако в известном устройстве при существенном изменении характера протекания процесса необходимо производить корректировку его интервала квантования, что связано со сложным преобразованием (с определением автокорреляционной функции, вычислением ее приращения и соответствующего ему времени спада) и, следовательно, с низким быстродействием Если при изменении характера протекания процесса не осуществлять корректировку интервала квантования, это приводит либо к недостаточной точности при последующем восстановлении исходного непрерывного процесса, если процесс стал более динамичным, либо к избыточной точности.

если процесс стал менее динамичным, что увеличивает длительность последующей обработки квантованного сигнала.

Для объектов нефтяного производства характерно наличие большого количества (более ста) контролируемых параметров, являющихся кусочно-стационарными случайными процессами, что при использовании известного устройства обусловливает низкое быстродействие работы и недостаточную точность квантования.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства.

Ноставленная цель достигается тем, что в устройство для квантования случайных процессов, содержащее блок вычитания, блок усреднения,

блок задания констант, блок управления, состоящий из регистра, элемента И, элемента НЕ, счетчика, порогового элемента и генератора импульсов, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен к первому входу порогового элемента, второй вход которого объедирнен с первым входом элемента И и подключен к выходу регистра, второй

вход элемента И объединен с входом элемента НЕ и подключен к выходу порогового элемента, выход элемента И соединен с управляющим входом первого блока памяти, аналого-цифровой преобразователь, управляющий

вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход является выходом устройства, блок выборки адреса, введены второй блок памяти,

первыйи второй элементы И, первый и второй делители, счетчик импульсов, амплитудный селектор, блок масштабирования и коммутатор, информационные входы которого являются соответственно информационными входами устройства, а информационный выход коммутатора соединен с первым входом первого элемента И и информационным входом аналого-цифрового преобрауопателя, Biopoii иход псрвого элемента И соединен с выходом элемента НЕ блока управления, а выход первого элемента И лодключен к информационному входу первого блока памяти и входу блока усреднения, выход которого соединен с первым входом амплитудного селектора, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход амплитудного селектора соединен с входом счетчика импульсов выход которого соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента блока управления, а выход через блок масштабирования соединен с первыми входами блока вычитания и второго элемента И, выход второго элемента И подключен к информационному входу второго блока памяти, выход которого соединен с входом делителя частоты, с вторым входом блока вычитания и с первым входом второго делителя, второй вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой Подключен к блоку задания констант, а выход соединен с вторым входом второго элемента И и с управляющим входом второго блока памяти, адресный вход которого объединен с управляющимвходом коммутатора и подключен к выходу блока выборки адреса .

При такой схемной реализации каждый случайный процесс квантуется с соответствующим интервалом квантования, определяемым по формуле

(Я интервал квантования, ч допустимая относительная погрешность ступенчатой аппроксимации случайного процессаi / - средняя частота следования потока импульсов случайного процесса с его средним уровнем, ч. Формула (1) следует из теории аппроксимации и теории выбросов случай ных процессов. Из теории аппроксимации случайных процессов известно, что средняя квадратичная погрешность ступенчатой аппроксимацииб связана с интервалом квантования t и нормиро

ванной автокорреляционной функцирп (ЛКФ) р (т) процесса зависимостью

6 2б2Г|-Р(Г|

,

(Z) (ыпп X L J J ехпп X

где 6 - дисперсия процесса.

Из теории выбросов известно, что для дифференцируемого нормального стационарного случайного процесса формула для определения средней частоты следования потока импульсов совпадения случайного процесса с заданным уровнем может быть записана следующим образом

ванной автокорреляционной функций процесса;

V - математическое ожидание пр

цесса.

Для объектов нефтйного производства характерны случайные процессы с АКФ вида

p(rj((r|)exp(-o6Kl) , (4|

где ot - параметр АКФ, вторая производная рЧо) для которых равна

р(о1-оС . (5

Подставляя выражение (5) в (3), получаем

/с-т ) V х)

(ь)

2d откуда вытекает, что средняя частота следования Д потока импульсов совпадения случайного процесса с его математическим ожиданием, т.е. при С т, определяется выражением 4 Поскольку погрешность 6 должна быть весьма малой, интервал квантования f должен быть значительно меньше интервала корреляции АКФ. Для этого случая,разлагая выражение (4) в ряд Тейлора при малых f , имеем f(tl(tot|r|)(i-o(./C-|)r1-o 5 Подставляя выражение (8) в (2) гЕолучаем . откуда следует Из равенства (10) с учетом выраж ния (7) следует - 2ЛЧ Отношение представляет относительную среднюю квадратичную погрешность ступенчатой аппроксимации.. ,. , Задаваясь допустимьм значением относительной погрешности аппроксимации и с учетом численных значений нз выражения (11) получаем Г . (12) В предлагаемом устройстве квантование случайных процессов осущест ляется с интервалами , которые определяются по форм1,ле (12) на основе измерения средних частот следо вания Д- потоков импульсов совпадения случайных процессов и их среднитс уровней. Одновременно, с квантованием i-ro случайного процесса с интервалом квантования происходит измерение средних частот Д, и определение соо ветствующих интервалов квантования Ilir. - т т. . Если окажется, что 1 i - допустимая относительная т , ошибка для 1-го случайного процесс случайный процесс в последующем кв туется с новым интервалом i ,. Таким образом, при существенном изменении характера случайного про цесса устройство автоматически кор ректирует соответствующий интервал квантования Т- , обеспечивая требу мую погрешность аппроксимации и вы сокое бь1стродействие. На фиг. 1 представлена структур схема предлагаемого устройства; на 26 фиг, 2 - функциональная схема D;:-,-.tii управления, Устройство содержит коммутатор 1, первый 2 и второй 3 блоки памяти, блок: 4 усреднения, аналого-цифровой преобразователь 5, амплитудный селектор 6, схему 7 сравнения, счетчик 8 импульсов, блок 9 вычитания, первый 10 и второй 11 элементь И, блок 12 задания констант ошибки, блок 13 масштабирования, делитель 14 частоты, первый 15 и второй 16 делители и блок 17 управления. Блок 13 масштабирования содержит узел: 18 задания относительной допустимой погрешности аппроксимации, узел 19 извлечения квадратного корня, узел: 20 умножения, узел 21 задания констант и делитель 22, причем его второй вход является входом блока 13, а первый вход соединен с выходом узла 20 умножения 5 входы которого соединены с узлом 21 задания констант и узлом 19 извлечения к:вадратного корня, вход которого подключен к узлу 18, а выход делителя 22 является выходом блока 13, Устройство содержит также блок 23 выборки адреса. Входами устройства являются информационные входы коммутатора 1, выход которого соединен с информационными входами аналого-цифрового преобразователя 5 и первого элемента И 10, выход которого соединен с информационным входом первого блока 2 памяти и входом блока 4 усреднения. Управляющие входы, анагюго-цифро-ь вого преобразователя 5, первого блока 2 памяти, коммутатора 1, первого элемента И 10 и адресный вход, второго блока 3 памяти соединены соответствен но с выходом делителя частоты, пер вым, пятым, вторым и четвертым вь:1ходами блока 17 управления. Первый и второй входы амплитудного селектора 6 подключены к выходам первого блока 2 памяти и блока 4 усреднения соответственно, а его выход через счеучик В импульсов соединен с первьм входом первого 15 делителя, выход которого через блок 13 масштабирования соединен с первым входом второго элемента И 11 и первым входом блока 9 вычитания. Второй вход делителя 15соединен с третьим выходов блока 17 управления. Блок управления содержит регистр 24, генератор импульсов 25, счетчик 26, пороговый элемент 27, элемент И 28 и элемент НЕ 29. Схема 7 сравнения соединена первым и вторым входами с выходом второго делителя 16 и входом блока 12 задания констант соответственно, а выходом - с управляющим входом второго блока 3 памяти и вторым вхо дом элемента И 11, выход которого соединен с информационным входом второгоблока 3 памяти. Выходом уст ройства является выход аналого-цифрового преобразователя 5. Устройство работает следующим образом. В соответствии с командой блока 17 управления, подаваемой с его пятого выхода на управляющий вход коммутатора 1, случайньм процесс х. через соответствующий i-ый информационный вход коммутатора 1 подается на аналого-цифровой преобразователь 5, а через вход элемента 10, открытого сигналом 1, поданным на его другой вход с выхода блока 17 управ ления, проходит на блок 2 памяти и на блок 4 усреднения. По истечении заданного времени измерения блок 17 управления выдает сигнал О, идущий с его второго выхода на управляющий вход элемента И 10 и запираю о щий его, прекращая тем самым прохож дение процесса х. на первый блок 2 памяти и блок 4 усреднения. В этот же момент времени блок 17 выдает си нал 1, идущий с его первого выхода на управляющий вход первого бло ка 2 памяти. По этому сигналу происходит считывание процесса х и передача его на один вход амплитудного селектора 6, на другой вход которого подается среднее значение процесса х. с выхода блока 4 усреднения . Амплитудный селектор 6 вьщает ко лебания процесса с амплитудой, боль шей среднего уровня, и формирует на выходе поток импульсов совпадения процесса с его средним уровнем. В качество амплитудного селектора может быть использован триггер Шмит та. Поток импульсов совпадения поступает на счетчик 8 импульсов, а результат суммирования подается на первый вход делителя 15, на второй вход которого подается значение t заданного времени измерения с треть го выхода блока 17. Результат деления, представляющий собой среднюю частоту следования потока импульсов совпадения Л; i-ro процесса с его средним уровнем, с выхода делителя 15 подается на блок 13, где в соответствии с формулой (12) происходит вычисление интервала квантования Т| ,, Величина Т подается на вход элемента И 11 и на первый вход блока 9 вычитания, на второй вход которого подается величина интервала квантования i - с выхода второго блока 3 памяти. Модуль разности jf--f-j с выхода блока 9 вычитания подается на один вход второго делителя 16, на другой вход которого подается величина Г,- с выхода второго блока 3 памяти. Отнощение являющееся относительной ошибкой, с выхода делителя 16 подается на первый вход схемы 7 сравнения, на второй вход которой подается допустимая относительная ошибка . с выхода блока 1 2. Если , схема 7 сравнения вырабатывает сигнал О, идущий с ее выхода на управляющие входы второго блока 3 памяти и второго элемента И 11, который остается закрытым и не пропускает величину fj , на информационный вход второго блока 3 памяти. По сигналу О, поданному на управляющий вход второго блока 3 памяти, информация в нем не стирается. В этом случае квантование -го процесса продолжается с прежним интервалом. Если Е Е , схема И 7 сравнения вырабатывает сигнал 1, идущий с его выхода на управляющие входы второго блока 3 памяти и элемента И 11, который открывается и пропускает величину т на информационный вход второго блока 3 памяти. Блок 17 управления формирует для каждого i-ro процесса сигнал, содержащий порядковый номер этого процесса, который с его четвертого выхода подается на адресный вход второго блока 3 памяти. В этом случае происходит стирание прежней величины интервала кьг.нтования f и запись новой величины для i-ro процесса. С выхода блока 3 памяти величина интервала квантования f. подается на (управляемый) делитель 14 частоты, который формирует импульсы управлсПИЯ аналого-цифровым преобразователе 5 с периодом управления t . Корректировка интервалов квантования остальных случайных процессов при существенном изменении характера их протекания осуществляется аналогично описанному. Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с базовым объектом является возможность простой и быстрой корректировки интервалов квантования при изменении характера протекания технологических процессов Изобретение обеспечивает повышени оперативности и точности управления производственными npouticcfiMn за счет более точного восстановления значений контролируемых параметров, а также сокращение затрат на статистические исследования контролируем11 Х параметровопри изменении характера их протекания. В качестве базового объекта выбрана автоматизированная система контроля и управления технологическими процессами подготовки нефти на базе управляющей вычислительной мащины М-6000, в которой используется жесткая (с постоянными интервалами квантования) программа опроса датчиков технологических параметров.

241

25

17

28

27

Фиг. 2