Устройство для контроля случайных процессов с помехами Советский патент 1985 года по МПК G06F17/18 

I 1 Изобретение относится к вычйсли : тельной технике и может быть использовано при цифровой обработке информ ции о состоянии объекта, поступившей в виде совокупности случайных процессов с помехами. Известно устрой 1тво для контроля параметров, содержащее последователь но соединенные блок памяти, первый сумматор, первый блок деления, первый квадратор, первый блок вычитания блок извлечения квадратного корня и блок умножения, последовательно соединенные блок выбора минимального значения, второй блок вычитания, пер-is вый блок сравнения, первый ключ, блок выбора максимального значения, третий блок вычитания, второй блок сравнения и второй ключ, и последо вательно соединенные второй квадратор, второй сумматор и второй блок деления, а также счетчик, соединенны выходом с вторыми входами первого и второго блоков деления, а входом - с выходом блока памяти, с вторым входом первого ключа и входа:ми блока выбора минимального значения, первого сумматора и второго квадратора, выход первого блока деления соединен сВто рыми входами второго и третьего блоков вычитания и второго ключа, выход второго блока деления соединен с вто рым входом первого блока вычитания а вторые выходы первого и второго блоков сравнения соединены соответ ственно с первьм и вторым входами блока памяти . lj . Это устройство осуществляет удаление недостоверных значений в выбор ках ограниченного объема (, где п - объем выборки), что приводит к невысокой достоверности результатов контроля параметров в случае их сильного искажения помехами, когда ограниченньй объем выборки влияет на достоверность результатов. Известно также устройство для контроля параметров, содержащее последовательно соединенные блок памяти, первый сумматор, первый делитель, первьй квадратор, первый блок .вычитания, блок извлечения квадратного корня и блок умножения, последовательно соединенные блок выбора максимального значения, второй блок вычитания, первый блок сравнения.

первый ключ, блок выбора максимального значения, третий блок вычитанияj

Цель изобретения - упрощение устройства. 23 второй блок сравнения и второй ключ и последовательно соединенные второй квадратор, второй сумматор и второй блок деления, а также блок задания корректирующих коэффициентов и счетчик, соединенный выходом с вторыми входами первого и второго блоков деления, а входом - с выходом блока памяти, с вторым входом первого ключа и входами блока выбора минимального значения, первого сумматора и второго квадратора, выход первого блока деления соединен с вторыми входами второго и третьего блоков вычитания и второго ключа, выход второго блока деления соединен с вторь м входом первого блока вычитания, вторые выходы первого и второго блоков сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами блока памяти, а выход блока задания корректирзоощих козффициентов соединен с вторым входом блока умножения 2 . Устройство осуществляет удаление недостоверных значений в выборках любого объема, так как для и 50 корректирующие коэффициенты булированы и хранятся в блоке задания корректирующих коэффициентов, а для значение вычисляются по формуле, реализуемой функциональным преобразователем ig n uW-yM, (1 UW . (2) л - заданная доверительная вероятность; обычно принимается в статистических расчетах одно из значений: 0,90; 0,95 или 0,99; Ч О )- функция, обратная функции нор-i мального распределения; М 2n-5 Ut -U%2U W l6 7n-6) ; Известное устройство имеет сложную техническую реализацию, так как в нем используются блок задания корректирующих коэффициентов для хранения значений v, ключи и блок сравнения, осуществляющие з правление формированием корректируюгцих коэффнциентов Y в зависимости от объема выборки п . Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для контроля случайных процессов с помехами, содержащем последовательно соединенные блок памяти, первый блок суммирования , первый блок деления, первый квадратор, первый блок вычитания, первьй блок извлечения квадратного корня и блок умножения, последовательно соединенные блок выбора минимального значения, второй блок вычи|тания, первый блок сравнения, первьй КЛЮЧ, блок выбора максимального зна.Чения, третий блок вычитания, второй блок сравнения, второй ключ и последовательно соединенные второй квадра : тор, второй блок суммирования и второй блок деления, а также блок задания корректирующих коэффициентов и. счетчик, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго блоков деления, а вход - с выходом блока памяти, вторым входом первого ключа, входом блока выбора минимального значения, входом первого блока суммирования и входом второго квадра тора, выход первого блока деления соединен с вторыми входами второго и третьего блоков вычитания и второго ключа, выход второго блока деления связан с вторым входом первого блока вычитания, вторые выходы первого и второго блоков сравнения подсоединены соответственно к первому и второму входам блока памяти, третий информационньш вход которого является входом устройства, а выход блока задания корректирующих коэффициентов подключен к второму входу блока умножения , выход которого связан с вторыми входами первого и второго блоков сравнения, выход второго ключа является выходом устройства, выход счетчика соединен с входом блока задания корректирующих коэффициентов. Сущность изобретения основана на использовании экспериментально установленного факта, что для значений доверительной вероятности/ i 0,99 (которые обычно используются при статических вы сислениях) и практически любых объемах выборки Y , включая и малые (), рассчитанные р пЗ и табулированные у. п значения корректирующих коэффициентов, приве-. денные в таблице,с точки зрения практических приложений близки.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ С ПОМЕХАМИ, содержащее последовательно соединенные блок памяти,первый блок суммирования, первый лок деления7 первый кзадратор, первый блок вычитания, первый блок извлечения квадратного корня и блок умножения, последовательно соединенные блок выбора минимального значения, второй блок вычитания, пер:вый блок сравнения, первый ключ, блок выбора максимального значения, третий блок-вычитания, второй блок сравнения, второй ключ и последовательно соединенные второй квадратор, второй блок суммирования и второй блок деления, а также блок задания корректирующих коэффициентов и счетчик, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго блоков деления, а вход - с выходом блока памяти, вторым входом первого ключа, входом блока выбора минимального зна сения, входом первого блока суммирования и входом второго квадратора, выход первого блока деления соединен с вторыми входами второго и третьего блоков вычитания и второго ключа, выход второго блока деления (Л .связан с вторым входом первого блока вычитания,вторые выходы первого и второго блоков сравнения подсоединены соответственно к первому и второму входам блока памяти, третий информационный вход которого является входом устройства, а выход блока задания корректирующих коэффициентов подключен к второму входу блока умножения, выход которого связан с вторыми, входами первого и второго i блоков сравнения, выход второго ключа является выходом устройства, о тличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, выход счетчика соединен с входом блока задания корректирующих коэффициентов;

Это позволяет осуп ествлять формирование значений Y nj только ,с,: помощью блока задания корректирующих коэффициентов для любьос У и, следовательно, упростить устройство для контроля параметров.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схема блока задания корректирующих

коэффициентов; на фиг.3 - схема блока формирования аргумента обратной функции нормального распределения; на фиг.4 - схема блока обращения функции нормального распределения; на фиг.5 - схема блока коррекции. . Устройство содержит блок 1 памяти, счетчик 2, блоки выбора минимального 3 и максимального 4 значений.

первый 5 и второй б блоки суммирования , первый 7 и второй 8 блоки деления, блок 9 задания корректирующих коэффициентов, первый 10 и второй 11 квадраторы, первый 12v второй 13 и третий 14 блоки вычитания, блок .15 извлечения квадратного корня, блок 16 умножения 5 первый 1 и второй 18 блоки сравнения, йервый 19 и второй 20 ключи.

Блок 9 содержит узел 21 формирования аргумента обратной функций, узел 22 обращения функции нормального распределения, узел 23 коррекции и элемент 24 умножения

Узел 21 (фиг.З) содержит элемент 25 деления, элемент 26 вычитания и элемент 27 задания констант. .

Узел 22 (фиг.4) содержит элемент 28 извлечения квадратного корня, элемент 29 логарифмировани, второй 30 и третий 31 элементы вычитания, первый элемент 32 возведения в квадрат, второй элемент 33 деления, первый 34 и второй 35. элементы суммирования, второй элемент 36, задания констант, первый 37, второй 38, третий 39, четвертый 40, пятый 41, шестой 42 и седьмой 43 элементы умножения.

Узел 23 (фиг.5) содержит третий элемент 44 задания констант, второй элемент 45 извлечения квадратного корня, второй 46 и третий 47 элементы возведения в квадрат, третий 48 .четвертый 49 и пятый 50 .элементы суммйрования, третий 51 и четвертый 52 элементы делен1ш четвертый элемент .53 вычитания, восьмой 54,девятый 55 и десятый 56 элементы умножения. .

Работа устройства основана на том что значение в выборке объема n считается недостоверным и подлежит исключению из дальнейшей обработки, если

/ад-х и/.б,.; (4)

;где М п 5dxCn3 оценки математического ожидания к с среднего квадратичного отклонения , вычисленные по выбОрке объема П .

В качестве первоначально выбирается минимальное значение х. п} из исходной выборки.

Если условие (4) при . nvinM выполняется, то х.Ду удаляется из

исходной выборки как недостоверное, и описанная процедура повторяется до тех ПОР, пока условие (4) не нарушится. После каждого удаления недостоверного минимального значения объем выборки уменьшается на единицу, указанные оценки mtl и 8 D пересчитываются, и формируется новое значение у -J , соответствующее фактичecкp fy объему выборки. J При нарушении условия (4) подвергаются последовательной проверке максимальные значения из оставшейся выборки аналогично проверке минит мальных значений.

Устройство работает при автоматическом сборе информации следующим образом. .

На вход устройства подаются измененные через определенные интервалы времени и оцифрованные значения x(tj) сигнала датчика измеряемого параметра, которые фиксируются в блоке 1 . Ползп енная исходная выборка из блока 1 поступает на счетчик 2, Где определяется ее объем, на блок 3, где определяется минимальное значение полученной выборки, на блок 5, в котором определяется

/п ..;

сумма всех значений выборки i;- на блок 11, где значения возводятся в квадрат, и на блок 19. Сиг.нал на запуск счетчика 2 и сигнал

для прерьгоания счета подаются програ,мным блоком, который задает порядок опроса датчиков, интервал времени между последовательными опросами одного и того же датчика и время счета

:выборки. Программный блок и цепи управления счетчиком 2 на схеме не показаны,п

5 V Г. т

Полученная сумма f; L--O, с выхода блока 5 подается на первый вкоц блока 7, на второй вход которог подается значение объема .выборки с выхода счетчика 2. С выхода блока 7 среднее значение выборки

i-f

через блок 10 подается на первый вход блока 12.

С выхода блока 11 значение подается на блок 6, где определяете

п

1

f i

X {xLt;li ./Полученная сумма

посту/1 а 5 J / . ,

пает на первый вход блока 8, на второй вход которого подается значе7ние объема выборки h с выхода счетч ка 2 . С выхода блока 8 второй начальньй статистический момент выборки .2 u,,iii. подается на второй вход блока 12, в котором определяется оценка дисперсии выборки (. Полученная оценка с выхода блока 12 подается на блок 15, где вычисляется оценка среднего квадратичного отклонения выборки б h Значение объема выборки п подает на блок 9, который реализует зависи мость (1) . Значение корректирующего коэффициента у п поступает на второй вхо блока 16, на первый вход которого подается оценка среднего квадратичного отклонения О г с выхода блока 15. Блок 16 вычисляет произведение if . которое подается на вторые входа первого 17 и второго 18 блоков сравнения.i Полученное блоком 3 минимальное .значение подается на первый вход блока 13, на второй вход котор го поступает среднее значение tin ,п с выхода блока 7. Абсолютное значен разности /х -т п /поступает на пер вый вход блока 17. Если/Х М- И W У М , то блок 17 вырабатывает сигнал 1, идущий с его второго выхода на первый вход блока 1, в котором стирает значение недостоверное. Над оставшимся (ч-1)-м значением по вторяются все описанные операции до тех пор, пока не будет вьшолнено условие /Xw inev -ei- n-Q/ f b-filyMlj ( ;где - количество удаленных минимальных значений в исходной выборке, ,1,2,... . . При выполнении условия (5) блок 17 вырабатьгоает сигнал 1, идущий с первого выхода на первый вход бло ка 19, который пропускает выборку объема п-С, оставшуюся в блоке 1 через свой второй вход на блок 4, где определяется максимальное значе . Значение . подается на первый вход блока 14, на второй вно которого подается среднее значение 238 выхода блока 7. Абсолютное значение pa3HOCTH/Xma n-t - т поступает на первый вход блока 18, на второй вход которого поступает произведение У с выхода блока 16. Если/х ахМ1- М / С М1 V то блок 18 вьфабатьшает сигнал 1 , идущий с его второго выхода на второй вход блока 1, в котором стирается значение x fn-tl как недостоверное. Над оставшимся / v -f-l/-м значением повторяются описанные операции до тех пор, пока не будет вьшолнено условие - 2- / -МТУ п-е-Ч , (6) где k - количество удаленных максимальных значений в исходной выборке, k 0,1 ,2 При вьшолнении условия (6) блок 18 сравнения вьфабатьшает сигнал 1, идущий с его первого выхода на первьш вход блока 20, на второй вход которого подается среднее значение ni n-f-k с выхода блока 7. Блок 20 пропускает среднее значение шл п - f- k на выход устройства, которое принимается за истинное значение измеряемого параметра. Блок 9 реализует зависимость (1) с учетом (2) и (3), т.е. по значению объема выборки г определяет ве- . личину является блоком, заимствованным из известного устройства. Значения функции (f п могут быть вычислены по различным алгоритмам, например Щ, Со+СЛ -Сг i -2en(-oLV; 1 -IC;,dj - известные константы ,2, 3 1,3; ci - аргумент функции cp(ut), принимающий в данном случае Таким образом, блок 9 задает значения аргумента ti и величины t по формулам (9) и (8) соответственно; обратную функцию нормального распределения (f() по формуле (7); величину К() по формуле (3); произведение ceC-VkM. 9 По значению ii объема выборки, по даваемогсу с выхода счетчика 2 на вход узла 21, формируется аргумент Ы значение которого поступает на узел 22, Значение С|(ы 4 обратной функции нормального распределения подается на вторые входы элемента 24 и узла 23, на второй вход которого подается значение объема выборки п через вход блока 9. На выходе узла 23 формируется зна чение К(п,Ц), подаваемое на первый вход элемента 24, на выходе которого формируется значение У i3 корректирующего коэффициента. Узел 21 работает следующим образом. Значения объема выборки и с выхода счетчика 2 поступают через вход узла 21 на второй вход элемента 25, на второй вход которого поступает g- с первого выхода элеконстантамента 27 . Результат деления -j- с выхода: элемента 25 поступает на второй вход элемента 26, на первьй вход которого поступает константа 1 с второго выхода элемента 27. Разность 0 1- с выхода элемента 26 поступает через выход узла 21 на вход узла 22. Узел 22 работает следующим образом. Знач;ение об с выхода элемента 26 поступает на первый вход элемента 30, на второй вход которого поступает константа 1 с первого выхода элемента 36. Разность 1-odc вьпсода элемента 30 подается на вход элемента 29, с выхода которого fnCl-oC) поступает на первый вход элемента 37, на второй Вход которого подается константа -2 с седьмого выхода элемента 36. Произведение -2 f и (1 - об) с выхода элемента 37 подается на вход элемента 28, откуда величина t 4- 1бйТ1-сО поступает на первые входы элементов 31, 32, 38, 40 и 42 На вторые входы элементов 38 и 40 подаются константы С, и d соответственно с шестого и четвертого выходов элемента 36. Произведения СД и d,i поступают на вторые входы элементов 34 и 35 соответственно. С выхода элемента 32 величина t. поступает на второй вход элемента 42 и на первые входы элементов 39 и 41 на вторые входы которых поступают 310 константы dj и С соответственно с третьего и пятого выходов элемента 36. Произведения dji и С,, с выходов элементов 39 и 41 поступают на третьи входы элементов 34 и 35, на первые входы которых подаются константы 1 и CQ соответственно с первого и восьмого выходов элемента-36. С выхода элемента 42 величина t поступает на второй вход элемента 43, на первый вход которого подается константа 0-5 с второго выхода элемента 36. Произведение с выхода элемента 43 поступает на четвертый вход элемента 35. Суммы 5, Сд + Cgt Sj 321+ 3з1 с выходов элементов 34 и 35 поступают на первый и второй входы элемента 33, с выхода которого частное щ- поступает на второй вход элемента 31. Разность У г q , представляющая собой значение обратной функции нормального распределения при аргументе К , подается через выход узла 22 на вторые входы узла 24 и узла 23. Рассмотрим работу узла 23. Значение объема выборки и с выхода счетчика 2 через первый вход узла 23 поступает на первый вход элемента 54, на второй вход которого подается константа 2 с второго выхода элемента 44. Произведение 2i с выхода элемента 54 подается на первый вход элемента 53, на второй вход которого подается константа 5 с третьего выхода элемента 44. Разность 2)1-5 с выхода элемента 53 поступает на вторые входы элемента 55 и элементов 48 и 49. На первый вход элемента 48 подается константа 3 с четвертого выхода элемента 44. Результат с выхода элемента 48подается на первый вход элемента 51. Значение У обратной функции норального расдтределения с выхода узла 22 через -второй входной зажим узла 23 подается на элемент 46j откуда U оступает на первые входы элементов 9и 50 и на. элемент 47,,с выхода которого и подается на первый вход элемента 56, на второй вход которого одается.константа 2 с второго выода элемента 44, а константа 6 с

его первого выхода подается на первы вход элемента 55.

Произведение 2 U с выхода элемента 56 поступает на третий вход элемента 50, с выхода которого сумма 5 + Ц4.20 подается на первый вход четвертого элемента 52, на первый вход которого поступает произведение 6(2и-5) с выхода элемента 55.

i,

Частное j, , с выхода элемента 52 подается на третий-вход элемента 49, с выхода которого сумма

г Уг -.% 2n-5+U 4-гт---г-поступает на второй о V .

вход элемента 51, с выхода которого частное .-д-- поступает на вход элемента 45, на выходе котородух Формируется значение K{jii,l)0 hp, поступающее с выхода узла 23 на первый вход элемента 24.

Таким.образом, предлагаемое устройство осуществляет последовательную проверку измеренных значений сигнала датчика с учетом статистических свойст в полученной выборки любого объема и удаление недостоверных значений, искаженных помехами, и конструктивно проще известного устроЙстЪа.

От лона 2 Jf

К блоку fS

Фи&1

От блока 2

фиг.