Устройство для прогнозирования случайных процессов Советский патент 1984 года по МПК G06F17/00 G06F17/18 

Изобретение относится к автомати ке и может быть использовано длякраткосрочного прогнозирования случайных процессов в автоматизированных системах принятия регаений, в частности в АСУ или автоматизированных КС УКП промьгашенных предприя тий. Известно устройство для прогнози рования тенденций изменения парамет ров технологических процессов в автоматизированных системах управления, содержащее блок обегающего контроля, блок управления, функциональный блок, коммутатор, блок памяти, схемы сравнения, блок формирования знака, регистратор, блок вычисления первой средней конечной разности и блок вычисления начального значения функции uj Недостатками данного устройства являются сложность, большое время вычисления, возможность прогнозирования только стационарных процессов . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее три регистра три элемента И, элемент НЕ, первые, вторые и третий умножители, накапли вающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчик, блок памяти и генератор импульсов 2 . Однако известное устройство, реа лизующее данный алгоритм прогнозирования, предназначено для прогнозирования стационарных случайных процессов и не работает в случаях когда необходимо прогнозировать нестационарные случайные процессы. Процесс настройки Kosi n eHTOB в этом случ,ае затягивается или вооб ще прекращается. . Целью изобретения является сокра щение времени прогноза. Поставленная цель достигается тем, что устройство для прогнозирования случайных процессов, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, первые,вто- рые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчикJ блок памя ти, генератор импульсов и элемент НЕ, содержит такясе группу квадраторов, второй накагтивающий сумматор, делитель и четвертый умножитель, первый вход перззогЬ элемента И соединен с запускающигм входом генерато 88J ра импульсов и входом устройства, а выход - с информационным входом первого регистра, выходы которого подключены к первым входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми, входами второго и третьего элементов И, выход второго элемента И соединен с первьм входом блока суммирования, выход третьего элемента И соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к второму входу блока суммирования, подсоединенного выходом к первому входу третьего з 1ножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, а выход с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с вторыми входами первых умножителей, выход генератора импульсов соединен сО счетным входом кольцевого счетчика, первый выход которого соединен с входами управления считьшанием пер- вого, второго и третьего регистров, la также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольце,вого счетчика соединен с входами управления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом третьего элемента И, а также с входом элемента НЕ, выход которого соединен, с входом первого элемента И, выходы квадраторов соединены с входами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первому входу четвертого умножителя , второй вход которого соединен с выходом блока памяти. Указанные отличительные признаки позволяют проводить прогнозирование ; нестационарных случайных процессов. Это достигается за счет реализации устройством алгоритма настройки весовых коэффициентов второго порядка (Ныртона-Рафсона), а не градиентного метода как в известном устройстве. На чертеже дана блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит первый элемент И 1, генератор 2 импульсов, кольцевой счетчик 3, первый регистр 4, первые умножители 5, третий регистр 6 накапливаюищй сумматор 7, третий элемент И 8, второй регистр 9, блок 10 суммирования, второй элемент И 11, квадраторы 12, накапливающий сумматор 13, делитель 14, умножитель 15, блок 16 памяти, третий умножитель 17, вторые умножители 18, элемент НЕ 19. Устройство работает следующим образом. Выборки выходного случайного про цесса X(j) поступают на входы блоков 1 и 2. С выхода генератора 2 по ледовательность импульсов поступает на вход счетчика 3, на выходе которого появляется сигнал Сц . Выборка входного процесса X(j) проходит на регистр 4, в котором в результате образуется вектор выборок входного сигнала X(j). Сигнал Cf поступает на второй вход регистра 4 для считы вания X(j). Информация поступает на первые входы умножителей 5, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода регистра 6, считанные по сигналу С1. В регистре 6 хранятся значения весовых коэффициентов W(j), полученные на предыдущем шаге прогнозирования. Сигналы с выходов умножителей 5, соответствующие произведениям поступают на входы сумматора 7, на выходе которого формируется выходной сигнал y(j) w(j) (j). Сигнал y(j) пост пает на первый вход элемента И 11, на второй вход которого поступает сигнал G1 со счетчика 3. Одновремен но сигнал С1 поступает на вход регистра 9, в котором записьгоается значение прогноза у(j), полученное на предыдущем шаге. Информация об истинном значении y(j) с выхода логического элемента И 11 и прогноз y(j), считанный с р гистра 9, поступают на два входа блока 10. На выходе сумматора 10 формируется сигнал ошибки прогноза Е()) y(j) Г y(j) который участву ет в формировании весовых коэффици ентов прогнозирующего устройства. Одновременно с сигналом ошибки про исходит формирование скаляра 2К/Х (j)X(j). Сигналы с выходов регистра 4 поступают на входы квад раторов 12, с выходов которых сигналы, соответствующие величинам XjV-, поступают на входы накапливающего сумматора 13, н.т выходе которого формируется сигнал ,5Г xi . Этот сигнал, пройдя делитель 14, умножается на коэффициент 2К, находящийся в блоке 16 памяти и списанный оттуда сигналом С1, в умножителе 15. На выходе умножителя 15 получается сигнал 2Ку, ()х (j), который поступает на один вход умножителя 17, на второй вход которого поступает сигнал ощибки Б (J) с выхода сумматора 10. Сигнал с выхода умножителя 17 поступает на вторые входы умножителей 18, на первые входы которых поступают сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора X (j). На выходах умножителей 18 формируются составляющие вектора uW(j + 1). В регистре 6 формируется весовой вектор W(j + 1), В эти время по сигналу С2 запирает элемент И 1, открывает элемент И 8. Сигнал С поступает на входы регистров 4 и 6 Начинается формирование прогноза (j + 1). Сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора )f (j) , и сигналы с выходов регистра 6, соответствующие компонентам весового вектора W(j + 1), умножаются в умножителях 5 и поступают на входы накапливающего сумматора 7, на выходе которого получается прогноз величины y(j + 1) на следующий шаг адаптации. Этот сигнал проходит через открытый элемент И 8 на вход регистра 0, в который и записывается, вытесняя из него предьщущее значение прогноза y(j). После этого сбрасывается счетчик 3. На вход устройства поступает следующая выборка входного сигнала. Цикл повторяется. В известном устройстве реализует-, ся алгоритм самонастройки весовых коэффициентов по методу наискорейшего спуска вида VJ(in).w((5), где W(j + 1) вектор весовых коэффициентов, определяемых на (j 4- 1)-м шаге адаптации параметр шага адаптации;51 )1 градиент случайной функцииJ e()K5m-Ki)f. .9 Замена градиента усредненной функции ( случайной производится по той причине, что приходится осуществлять прогноз по единичным реализациям случайных процессов.,0 В предлагаемом устройстве корректировка весов осуществляется по методу Ньютона-Рафсона wisH Wlii4kH-Hi 4EU)l, где H(j) - матрица вторых частных производных случайной функции 20 e(i)-Hii) x()r{j). (4) Матрица H(j) есть симметрическая, вырожденная матрица. Поэтому выражение Н (J) несуществует и необ- 25 ходимо псевдообращение H((ii(iipHU) 120 5 86 pfletpHljl Х( ( след матрицы H(j). Подстаноика (5) в (1) с учетом того, что М Е ij) 2e{j)x (J) дает алгоритм Ньютона-Рафсона для корректировки весов прогнозирующего устройства(iif2Ke(lx(l/|i,H( Из выражения (6) следует, что незначительное усложнение устройства, реализующего алгоритм (1), приводит к возможности использования алгоритма Ньютона-Рафсона. А это, в свою очередь, позволяет прогнозировать нестационарные случайные процессы, так как увеличивает скорость сходимости вектора весовых коэффициентов к оптимальному значению. Результаты моделирования на ЭВМ показывают, что быстродействие предлагаемого устройства по сравнению с известным устройством повышается примерно на 25-30% (в зависимости от типа прогнозируемого процесса).

ЗЕ 19

С2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАКЙЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, леррые, вторые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчик, блок памяти, генератор импульсов и элемент НЕ, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени прогноза, в него введены группа квадраторов, второй накапливающий сумматор, делитель и четвертый умножитель, первый вход первогоэлемента И соединен с запускающим входом генератора импульсов и входом устройства, а выход - с информационным входом первого регистра, выходы которого подключены к первьм входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго элемента И соединен с первым входом блока суммирования, выход третьего элемента И соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к второму входу блока суммирования, подсоединенного выходом к первому входу третьего умножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, а выход - с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с g втррь1ми входами первых умножителей, выход генератора импульсов соединен со счетным входом кольцевого счетчика, первый выход которого соединен с входами управления считыванием первого, второго и третьего регистров, а также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольцевого счетчика соединен с входами управления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом третьего элемента И, а также с входом элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого элемента И, выходы квадраторов соединены с входами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первому входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

ч/

(12

13

f

f.

С2

Cf

f

I

Cf

A

/

/,

18

I

1 -T

AL

С2

8

/

С/