Устройство для определения параметров контроля Советский патент 1986 года по МПК G06F11/07 G06F17/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при исследовании случайш гх процессов, например, для определения с заданной доверительной вероятность энтропии параметров контроля сложных технических систем..

Цель изобретения - обеспечение возможности определения с заданной доверительной вероятностью энтропии параметров контроля сложных технических систем.

На фиг. 1 представлена структурна схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока управления; на фиг. 3 - узел вычисления энтропии; .на фиг. 4 - блок задания вероятности безотказной работы. В процессе использования сложных технических систем их состояние (ра- ботоспособное - не работоспособное) определяется контролем определенной выборки параметров. Структуру технической системы составляют п элементов с произвольной топологией, причем состояние каждого i-ro элемента определяется вероятностью безотказной работы P;(t). Контролю подлежат m параметров, причем пг т„ В зависимости от структуры состояние каждого k-ro параметра контроля зависит от состояния каждого элемента 1Системы, Оказывающего на него влияние j т.е. вероятность безотказной работы по k-му параметру контроля РП (t) равняется произведению вероятностей безотказной работы L элементов, оказывающих влияние на k-й параметр контроля:

Р, (t) П P.(t)

П((

где PJ, (t) - вероятность безотказной работы по k-му параметру контроля; Р; (t) - вероятность безотказной

работы,i-ro элемента. Каждый k-й параметр контроля так- же характеризуется энтропией H(t).

В математическом плане задача определения энтропии k-ro параметра кон контроля сводится к вычислению формулыH,(t) -РП, (t)log,Pn,(t) .. -P,(t)logjl - Pn,(t),

где H(t) - энтропия k-ro параметра

контроля;

Р (t) - вероятность безотказной работы по k-му парамет- ру контроля; k 1 , Шо

Чтобы определить энтропию k-ro параметра контроля с заданной доверительной вероятностью, необходимо провести N выборок (численное значение N выбирается, -исходя из заданной доверительной вероятности) и найти ее среднее значение:

Hx.(t)

Z H,(t)

J-1 J

w

где HI; (t) - энтропия k-ro параметра контроля, определенная с заданной доверительной вероятностью; Ну. (t) - энтропия k-ro параметра контроля, определенная при j-й выборке; N - количество выборок,

удовлетворяющее заданной доверительной вероятности.

Энтропия k-ro параметра контроля Нка( Ь) определяется для момента времени

t t.

9 ;

где tg - начало эксплуатации технической системы (tg о); Тд - время ее эксплуатации. Для определения энтропии параметров контроля моделируется случайный процесс изменения вероятности безотказной работы элементов системы. Моделируется ее структура, определяется вероятность безотказной работы по каждому k-му параметру контроля, определяется энтропия каждого k-ro параметра, суммируются вычисленные значения энтропии в момент времени по каждому k-му параметру контроля и по каждой выборке, определяется среднее значение энтропии каждого k-ro параметра технической системы и отображаются численные значения энтропии каждого k-ro параметра в момент времени Tg.

Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 задания постоянного напряжения, первый ключ 3, первый

31

элемент И 4, узлы 5,-5 вычисления энтропии, элементы 6,-6 сравнения, первые блоки 7, -7„ умножения, генераторы 8,-8р случайного напряжения, вторые ключи 9 -9 , наборное поле 10, вторые блоки 11,-11 умножения, блоки 12,-12„ задания вероятности безотказной работы, третьи ключи 13,-13, накагшиваю1дие сумматоры 14,-14,, четвертые ключи 15,-15, блоки 16,-16f деления, первые аналого-цифровые преобразователи 1 7, - 17, дешифраторы 18,-18 и блок 19 индикации.

Блок 1 управления содержит гене- ратор 20 тактовых импульсов, первый ключ 21, первый счетчик 22, элемент И 23, элементов ИЛИ 24, первый триггер 25, второй счетчик 26, второй ключ 27, аналого-цифровой преобразо ватель 28 и второй триггер 29,

Узел 5 вычисления энтропии содержит первый блок 30 логарифмирования первый блок 31 ум 1ожения, блок 32 вычитания, второй блок 33 логарифмирования, второй блок 34 умножения и блок 35 суммирования. Блок 12 задания вероятности безотказной работы Включает диод 36, переменную емкость 37, ключ 38 и резистор 39.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени tg величины переменных емкостей 37 устанавливаются обратно пропорциональными интенсив- ностями отказов J; элементо й исследуемой системы. На наборном поле 10 осуществляются коммутации в соответствии со структурой исследуемой системы. Коэффициент деления счетчика 22 устанавливается пропорциональным времени эксплуатации Т. Коэффициент деления счетчика 26 устанавливается пропорциональным числу повторений моделирования процесса N, необходи- мому для достижения заданной доверительной вероятности,

В момент времени t, на первый вход блока I подается импульс начала работы устройства, который поступает на нулевой вход триггера 29, устанавливая его в нулевое состояние. Сигна логической единицы с его нулевого выхода поступает на второй вход элемента 23, тем самым разрешая прохож- дение импульсов с элемента 4, поступающих на второй вход блока 1. Логический нуль с единичного выхода

триггера 29 поступает на третий управляющий выход блока 1 и далее на управляющие входы ключей 15,-15, запрещая тем самым прохождение через них информации с сумматоров 14,- 14 на первый вход соответствующих блоков 16,-16.

Импульс начала работы поступает также на второй вход счетчика 26, устанавливая его в нулевое состояние, и через элемент 24 - на единичный вход триггера 25, устанавливая его тем самым в единичное состояние. Логическая единица с единичного выхода триггера 25 поступает на первый управляющий выход блока 1 и далее - на управляю1ций вход ключа 3, тем самым разрешая прохождение постоянного напряжения на первые входы блоков 12j-12f,, а также на вторые входы ключей 13;,-13, тем самым разрешая прохождение информации с выходов блоков на входы соответствующих сумматоров 14,.

Логический нуль с нулевого выхода

триггера 25 поступает на управляющий вход ключа 21, запрещая прохолщение на вход счетчика 22 импульсов с генератора 20, а также на второй управляющий выход блока 1 и далее - на вторые входы блоков 12,-12, соединенные с управляющими входами ключей 38, запрещая разряд переменных емкостей 37, а также на управляющие входы ключей 9,-9, запрещая прохождение информации с выходов блоков 7 -7f, на соответствующие входы наборного поля 10.

Блок 2 через открытый ключ 3 и диоды 36 заряжает емкости 37 до ве- . личины EV,|-T- , пропорциональной Р; е ° 1 . Когда все емк.ости 37 заряжены до величины Е,, на выходах всех элементов появляется напряжение логической единицы. Оно поступает на соответствующие входы элемента 4 и далее на второй вход блока 1, т.е. на первый вход элемента 23, на второй вход которого поступает логическая единица с нулевого выхода триггера 29. Счетчик 22 и триггер 25 устанавливаются в нулевое состояние. Сигнал логической единицы с нулевого выхода триггера 25 поступает на второй управляющий выход блока 1 и управляющий вход ключа 21, разрешая прохождение импульсов с генератора 20 на счетный вход

5

счетчика 22. Логический нуль с еди- шчного выхода триггера 25 поступает на первый управляющий вьгход блока 1 .

Логический нуль с первого управляющего выхода блока 1 поступает на управляющий вход ключа 3, запрещая прохождение напряжения блока 2 на входы блоков 12j-12j, и первые входы элементов 6,-6„, а также поступает на управляющие входы ключей 13 -13„, тем самьм запрещая прохождение информации с выходов узлов 5, -5f на входы соответствующих сумматоров 14,-14. Логическая единица с второго управляющего выхода блока 1 поступает на вторые входы блоков 12, разрешая разряд емкостей 37, и на вторые входы ключей 9 -9 , подключая тем самым выходы блоков к соответствующим входам наборного поля 10.

Переменные емкости 37 начинают разряжаться, так как на первые входы элементов 6j-6ti подаются напряжения с соответствующих вторых выходов блоков 12,-12,, а на их вторые входы подается напряжение, равное нулю, так как первый ключ 3 закрыт, На выходах элементов и на выходе элемента 4 появляется логический нуль, который поступает на второй вход блока 1.

Напряжение с первых выходов блоков 12,-12f,, пропорциональное изменению вероятности безотказной работы во времени P (t) поступает на первые входы соответствующих блоков 7,-7(,,на вторые входы которых поступает напряжение с генераторов 8,-8. На выходах блоков 7, -7 моделируется случайный характер изменения вероятности безотказной работы элементов исследуемой системы .

Напряжения с выходов блоков 7(-7 через открытые ключи 9,-9„ поступают на соответствующие входы наборного поля 10. Входные напряжения, согласно структуре исследуемой системы, поступают на соответствующие выходы наборного поля 10, подключенные к соответствующим входам соответствующих блоков 11,,. На выходе последних моделируется случайньй характер изменения вероятностей безотказной рабо- :ты параметров кон7;роля, пропорцио1 )

н альных P,W ne Ug. . ,. ,

Пл , |°

259291-

Напряжения U,. с выходов блоков - JIj-11 поступают на первые входы соответствующих узлов 5,-5, т.е. на входы, блоков 30, на выходах кото- 5 рых напряжения пропорциональны вычисленным значениям логарифма

log; П -и....

0

5

Напряжение U с выхода блока 30 .поступает на первый вход блока 31, на втором входе которого присутствует напряжение с первого входа узла 5. На выходе блока 31 напряжение пропорционально

A;i

П е -и,,. - е,-м а, f .,

На первый вход блока 32 с второго входа узла 5 поступает напряжение, пропорциональное логической единице, а на его второй вход - напряжение и„; с первого входа узла 5. С выхода блока 3.2 напряжение, пропорциональЬ .|ное ) поступает на вход 5 -Г

блока ЗЗ, на выходе которого,напряже-.

ние пропорционально „., f i п . it

j J,e UgJ.i

. Это Напряжение поступает на , первый вход блока 34, на втором вхо- де которого присутствует напряжение

0

5

и

Э2

С выхода блока 32. С выхода блока 34 напряжение (Еист-и4,; ) log2 (ЕИСТ- и,,; ) ступаё т на второй вход сумматора 35, 5 на первый вход которого поступает напряжение U, с, На выходе блока 35 напряжение пропорционально Н, -

.

,- .1

U

(.из;...ео,(.-Ле-.ие;1,т.е. пропорционально энтропии i-ro пара- метра контроля. Величина напряжения

изменяется с изменением t. Напряжения 5 с выходов блоков 35 -35, поступают на выходы узлов 5,-5,. Однако через закрытые ключи 13,-13гпони не буДут поступать на входы соответствующих сумматоров 14,-I4m.

Б момент времени t,когда заполнится счетчик 22 (т.е. пройдет время, пропорциональное времени эксплуата- дии Тд), на его вькоде появляется импульс переполнения, который запи- сьгаает единицу в счетчик 26 и,, пройдя через элемент 24, изменяет состояния триггера 25, воздействуя на

его .единичный вход. Логическая единица поступает на первый управляющий

выход блока 1 управления.

Логический нуль с нулевого выхода триггера 25 поступает на второй управляющий выход блока 1 и на управляющий вход ключа 21, запрещая прохож- дение импульсов с генератора 20 на вход счетчика 22.

Сигнал с первого управляющего выхода блока 1 открывает ключ 3, поступая на его управляющий вход, и от- крывая ключи 13 ,.-13, разрешая тем самым поступление с выхода узлов 5 напряжения, пропорционального энтропии параметров контроля во время, равное заданному времени эксплуата- ции Тд, на вход соответствующих сумматоров 14,-14. Следовательно в сумматорах 14,-14 напряжение пропорционально энтропии соответствующего параметра контроля при заданном вре- мени эксплуатации Тд.

Сигнал с второго управляющего : дыхода блока 1 поступает на вторые входы блоков 12,-12 и запрещает разряд конденсаторов 37, а также - на управляющие входы ключей 9,-9г), за- крьшая их.

Через открытьй ключ 3 начинается заряд конденсаторов 37. Когда все конденсаторы будут заряжены до вели- чины напряжения блока 2 - на всех выходах элементов 6)-6, появляются сигналы логической единицы, которые поступят на соответствующие входы элемента 4. С его выхода сигнал логической единицы поступает на второй вход блока 1 и далее - на первый вход элемента 23, на втором входе

которого присутствует сигнал лопсчес кой едигшцы с второго триггера 29.На

выходе элемента 23 появляется сигнал логической единицы.Поступая на вход сброса счетчика 22,данный сигнал устанавливает его в нулевое состояние, а

поступая на нулевой вход триггера 25 изменяет, его состояние на противопо- ложное. На нулевом выходе триггера 25 появляется сигнал логической еди- нии,, который открывает ключ 21, разрещая прохождение импульсов с генератора 20 на nepBbrii вход счетчика 22. Далее этот сигнал поступает на второй Управляющий выход блока 1, открывая тем самым ключи , и разрещая разряд емкостей 37. Логический нуль с единичного выхода тригге- ра 25 поступает на первый управляющий выход блока I, закрывая ключи 13 13 m и 3.

5

10 15 20

5

о

5

0 5

Начинается разряд конденсаторов 37. Реализуется повторное вычисление энтропии параметров контроля по описанному алгоритму работы устройства. В зависимости от заданной достоверности результатов реализуется N циклов вычисления. По их окончании сигнал переполнения счетчика 22 запишется в счетчик 26, предварительно установив такое состояние триггера 25, при котором на единичном выходе будет сигнал логической единицы, а на нулевом - сигнал логического нуля. Открыты ключи 13,-13 и 3, закрыты ключи 9,-9, и 38, начинается заряд

37.

С ГЁтчик 26, число переполнения

которого равно И, полностью заполнен, и логическая единица с его старшего разряда поступает на единичный вход триггера 29, изменяя его состояние на противоположное. Логический нуль с его нулевого выхода поступает на второй вход элемента 23, запрещая прохождение на его выход сигнала логической единицы с выхода элемента 4. Логическая единица с единичного выхода триггера 29 поступает на уп- . равляющий вход ключа 27, открывая его. Содержимое счетчика 26 поступает на информационный вход ключа 27 и далее на его выход и вход аналого-цифрового преобразователя 28, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное содержимому счетчика 26. Этот сигнал поступает на информационный выход блока 1. Логическая единица с единичного выхода триггера 29 поступает также на третий управляющий выход блока 1 и далее на управляющие .входы ключей , открывая их и I разрешая прохождение напряжения с выхода сумматоров 4,-14п,, пропорцио- -., N

нального Н. 21Н; - на первый вход

. . J- .

соответствздащих блоков 16i-I6m, на вторые входы которых поступает напряжение, пропорциональное N, с информационного выхода блока 1.

На выходе блоков .) присутствует сигнал , пропорциональный математическому ожиданию

энтропии параметров контроля н-

, 1|

Н Z1 И-; /N / Напряжение с выходов блоj:

кбв 16,-16jy, деления поступает на входы соответствзгющих аналого-цифровых преобразователей 17,, Ь19 ,.

ходе которых цифровой код пропорционален входным напряжениям. Через соответствукяцие дешифраторы 18,-18 он отображается на блоке 19,

Так как на втором входе элемента 23 сигнал логического нуля, то по окончании заряда всех емкостей 37 сигнал логической единицы с выхода элемента 4 не пройдет на выход элемента 23.

Формула изобретения

I

I, Устройство для определения параметров контроля, содержащее п генераторов случайного напряжения по числу элементов контролируемой системы, выходами соединенные с входами соответствующих первых блоков умножения, блок задания постоянного напряжения, элемент И, m накапливающих сумматоров по числу контролируемых параметров и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности определения энтропии napaivieTpoB контроля, устройство содержит по п блоков задания вероятности и элементов сравнения, наборное поле, первый ключ и п вторых , m каналов вычисления, каждый из которых содержит второй блок умножения, узел вычисления энтропии, третий и четвертый ключи, блок деления, аналого- цифровой преобразователь и дешифратор, а также блок управления, первый управляющий выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего ключей, второй, управляющий выход блока управления связан с управляющими входами вторых ключей и с вторыми входами блоков задания вероятности безотказной работы, третий управляющий и информационный выходы и информационный вход блока управления подключены соответственно к управляющим входам четвертых ключей, к вторым входам блоков деления и к выходу элемента И, входами соединенного с выходами элементов сравнения, первые входы которых подключены к вторым выходам блоков задания вероятности безотказной работы., связанных первьп ш выходами и входами с.оответственно через первые блоки умножения и вторые ключи с соответствующими входами наборного поля и ,с выходом первого ключа, соединенным

5929110

с вторыми входами элементов сравнения, выход блока задания постоянного напряжения связан с входом первого ключа и с .вторыми входами узлов вы- 5 числения энтропии, первый вход и выход каждого из которых подсоединен соответственно к выходу второго блока умножения данного канала и через последовательно соединенные в канале

10 третий ключ, накапливающий сумматор, четвертый ключ, блок деления, аналого-цифровой преобразователь и дешифратор - к соответствующему входу блока индикации, при этом входы каж15 дого блока умножения соединены с

группой соответствующих данному каналу выходов наборного поля.

2.Устройство по п. 1, о т л и - ч ающееся тем, что блок уп20 равления содержит генератор тактовых импульсов, два ключа, два счетчика, два триггера, элемент И, элемент ИЛИ и аналого-цифровой преобразователь, выход и вход которого соедине25 ны соответственно с информационным выходом блока и через второй ключ блока - с выходом второго счетчика, связанного счетным входом и выходом соответственно с выходом первого

30 счетчика и с единичным входом второ- . го триггера, нулевой и единичный выходы и нулевой вход которого подключены соответственно к второму входу элемента И блока, к третьему управля22 ющему выходу блока и к входу запуска блока, связанному с первым входом элемента ИШ, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого счетчика и с единич40 ным входом первого триггера, связанного нулевым входом и единичным и нулевым выходами соответственно с выходом элемента И блока, с первым управляющим выходом блока и с вторым

45 управляющим выходом блока, соединенным также с управляющим входом -первого ключа блока, счетный вход и вход сброса первого счетчика соединены соответственно через первый ключ

-Q блока с выходом генератора тактовых и тульсов и через элемент Е блока с. его информационным входом, единичный выход второго триггера подсоединен к управляющему входу второго

55 ключа, а вход сброса второго счетчи-г ка к входу запуска блока.

3.Устройство по п. i, о т л и - чающееся тем, что узел вычисления энтропии содержит блок вычитания, .блок суммирования, два бло ка логарифмирования и два блока умножения, первый вход узла связан с его выходом через первый блок логарифмирования, первый блок умножения и блок суммирования, а также через блок вычитания, второй блок логариф125929112

мирования, второй блок умножения и блок суммирования, второй вход первого блока умножения, второй вход блока вьтитания и второй вход второ- 5 го блока умножения подключены соответственно к первому входу узла, к второму входу узла и к выходу блока вычитания.

Ц,

tfut-J

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при исследовании случайных процессов, в том числе для определения с заданной доверительной вероятностью энтропии параметров контроля сложных технических систем. Энтропия каждого k-ro из m параметров, подлежащих контролю и зависящих от состояния L элементов, оказывающих на него влияние, определяется, аппаратурной реализацией выражения (1) H,(t) -Р,, (t),(t) -f l-Pnjt) log,l-Pn,(t)/ где P(t) - вероятность безотказной работы по k-y параметру контроля, -.. и причем Pp(t) П P,(t). При этом заданная доверит ельная вероятность обеспечивается N кратной реализацией выражения (1) и, усреднением по N формуле Н. (t) EH,f,, (t)/N. Число t jt.1 о L зависимых элементов и их связи ус- танавливается при моделировании конкретной структуры с помощью наборного поля. 2 з-п.ф-лы, 4 ил. i (Л N9 СД ;о д ;о

Фиг.2

Jи

3/

32

От г

Фиг.З

Редактор Н.Яцола

f7/77 7

Фиг.

Составитель В.Смирнов

Техред М.Ходанич Корректор А. Зимокосов

Заказ 5124/48 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и отк рытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

поизводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

55

Г

Я75