Кусочно-полиномиальный аппроксиматор Советский патент 1987 года по МПК G06G7/26 G08C19/28 

1 1

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике и может быть использовано в автоматизированных банках данных,

Цель изобретения - повышение информативности аппроксиматора за счет сжатия информации.

На фиг.1 приведена структурная схема аппроксиматора; на фиг,2 - функциональная схема накопителя; на фиг. 3 - функп,иональная схема блока управления; на фиг,4 - варианты выполнения компаратора; на фиг,5 - диаграммы процессов, поясняющие работу аппроксиматора,

Аппроксиматор (фиг,1) содержит информационный вход 1, аналого-цифровой преобразователь 2, первый регистр 3 сдвига, генератор 4 тактовых импульсов, группу 5 цифровых фильтров, накопитель 6, содержащий четвертый информационный вход 7, первый и второй информационные входы 8, третий информационный вход 9, первый и второй управляющие входы 10 и 11, второй регистр 12 сдвига, первые цифроаналоговые преобразователи 13, второй цифроаналоговый преобразователь 14, ключ 15, блок 16 памяти, пятый блок 17 ключей, выполненный на ключах 18-21, первый и второй функциональные преобразователи 22 и 23,, выполненные на инфеграторах 24, третий блок 25 ключей, выполненный на ключах 26, первый блок 27 ключей, вы полненный на ключах 28, второй блок 29 ключей, выполненный на ключах 30, четвертый блок 31 ключей, выполненный на ключах 32, блок 33 управления содержащий первьй, -четвертый, третий и второй входы 34-37 соответственно, первый-восьмой выходы 38-45, и шестой блок 46 ключей, выполненный на ключах 47-50.

Накопитель 6 (фиг.2) содержит последовательные регистры 51 и 52 сдви га, счетчик 53 и параллельный регистр 54 сдвига.

Блок 33 управления (фиг.З) содержит счетчик 55, элемент 56 сравнения, элемент 57 задержки, первый и второй триггеры 58 и 59, компараторы 60, элемент ПЯ 61, первый-третий элементы И 62-64, первый и второй од новибраторы 65 и 66,

Компаратор 60 (фиг.4) содержит сумматор 67, схему 68 определения мО дуля числа , нуль-орган 69 и делитель 70,

223272

Аппроксиматор реализует сжагме информации методом адаптивной дискретизации, согласно которому производится равномерная выборка из измеряемого процесса и кусочно-полиномиальная аппроксимация сплайном п-й степени каждого выборочного участка (с помощью функционального преобразователя, состоящего из п послеJQ довательно соединенных аналоговых

интеграторов), В конце каждого участка происходит сравнение выборочного (истинного) и аппроксимированного значений процесса. Если разница меж(5 ДУ ними не превышает наперед заданной величины, данное выборочное значение считается избыточным и на следующем участке аппроксимация продолжается с предыдущими параметрами на входе

20 функционального преобразователя. Так продолжается до тех пор, пока рассогласование не превысит установленного уровня, В этом случае, на вход функционального преобразователя по25 даются новые параметры, соответствующие истинным значениям процесса. При этом запоминанию подлежат параметры процесса не на всех участках дискретизации, а только на тех,

30 где они поступают на вход функционального преобразователя (т.н. существенные параметры). Поскольку таких участков меньше общего количества участков дискретизации, то происхоj дит сжатие исходной информации (измеряемого процесса, поступающего на вход устройства).

Для сжатия информации используются два функциональных преобразова40 теля, работающие поочередно. Один из них осуществляет кусоную аппроксимацию за счет поступления на его вход п-й производной измеряемого процесса в начале каждого участка дискрети-

45 зации, а другой аппроксимирует этот же участок по заполненной п-й производной некоторого ранее прошедшего участка. На выходе этого преобразователя происходит сравнение, истинного

50 и аппроксимированного значений измеряемого процесса и при расхождении (больше установленного) первый функциональный преобразователь передает интеграторам второго новые (истинные)

55 начальные условия, так что теперь второй преобразователь осуществляет аппроксимацию каждого участка, а первый аппроксимирует несколько участков подряд (до появления большего

3

расхождения) no -i производной, заполненной в момент передачи своих параметров. Таким образом, существенными параметрами измеряемого процесса являются п-е производные, полученные в момент установки новых начальных условий на интеграторах одного из функциональных преобразователей.

В регистр 51 накопителя 6 (фиг.2) записывается номер такта (номер импульса генератора А), при котором появилась существенная координата, а в регистр 52 - величина существенной координаты. Запись в эти регистры производится под действием управляющих импульсов, поступающих с входа 10, количество импульсов подсчитывается счетчиком 53. В регистр 54 записываются начальные условия измеря- емого процесса на первом участке аппроксимации, которые поступают на многоканальный вход 8 накопителя 6. Так как начальными условиями являются О - h-я производные, емкость регистра 54 (п+1) ячеек.

Блок 33 управления (фиг.З) предназначен для формирования управляющих воздействий в моменты возникновения существенных координат. На вход 37 поступают импульсы от генератора 4, которые подсчитываются счетчиком 55, а через элемент 57 задержки - на управляющий вход компаратора 60. При поступлении 2п-го (при п нечетном) или (2п+1)-го (при п четном) импульса (считая с начала работы) элемент 56 сравнения формирует короткий импульс, который проходит на выход 42, а через -элемент ИЛИ 63 - на выход 40, и переводит триггер 58 в единичное состояние, разрешая прохождение сигналов через элемент И 62-64.

Компаратор 60 производит сравне- ние истинного (выборочного) значения измеряемого процесса в конце каждого участка дискретизации с аппроксимированным значением, полученным на выходе одного из функциональных пре- образователей 22 и 23.

В зависимости от вида рассогласования компаратор 60 может быть построен по одному из вариантов (фиг.4а, б). Если требуется, чтобы компаратор реагировал на абсолютную ошибку рассогласования (фиг.4а), в его Состав вводят аналоговый сумматор 67, 7

4

му 68 определения модуля, нуль-орган 69, который настраивается на оп- ределенш 111 уровень срабатывания. В момент прихода импульса от генератора 4 нуль-орган 69 выдает сигнал если напряжение на его входе превыси величину уставки. Для того, чтобы компаратор 60 реагировал на относительную о1 П1бку рассогласования (фиг.4б), в его состав нужно дополнительно ввести делитель )0.

Цифровые фильтры 5 предназначены для формирования 1 - п-й производных измepяe го процесса. Число входов у каждого цифрового фильтра равно емкости регистра 3, т.е. фильтры являются 2п-точечныкм (при п нечетном) или (2п+1)-точечными (при п нечетном Hjni (2п+1)-точечными (при п четном). Работа цифрового фильтра заключается в умножении величины, поступающей с каждого входа, на постоянный коэффициент и последующем суммирован ии :)Tjix пронзведений .

Лппроксиматор осуществляет кусочно-полиноминальную (онлайновую) аппроксимацию измеряемого процесса и выделяет из него существенные координаты, по которым впоследствии можно постановить исходный процесс, т.е. производи-т сжатие информации. Алпрок симцровапньи исходный процесс полностью поступает на выход аппроксимато- ра, а существенные координаты(сжатая информация) запоминаются в накопителе 6 .

Аппроксиматор работает следующим образом.

В исходном состоянии все ключи разомкнуты. При подаче питания начинает работать генератор 4, частота которого выбирается из условия обеспечения за;танной точности аппроксимации для участков, где измеряемый процесс изменяется наиболее быстро.

Под действием управляющих импульсов преобразователь 2 осуществляет дискретизацию измеряемого процесса f(x), пocтyrraюIJ eгo на вход 1 аппрок- симатора (фш-.За). Дискретные значения последовательно заполняют ячейки регистра 3.

Выходы ячеек регистра 3 соединены с входами п,ифровых фильтров 5, на выходах которых формируются первые п производные измеряемого процесса на каждом участке дискретизации. После поступ.чсш я в регистр 3 2п-го или 2п-|-1-го дискретногч значения f,;,

процесса f(x), т.е. после полного его заполнения, на выходах 40 и 42 блока 33 появляются импульсы, кратковременно замыкающие ключи 15, 26 и 32. В результате на всех интеграторах 24 функциональных преобразователей 22 и 23 устанавливаются начальные условия, необходимые для аппроксимации первого участка измеряемого процесса. Начальными условиями являются: значение процесса в i-й (начальной) точке участка, которое поступает на интеграторы 24 через преобразователь 14, и значения 1 - (п-1)-й производных в этой же точке, формируемые соответственно 1 - (п-1)-м цифровыми фильтрами 5. Через ключ 15 на вход блока 16 памяти поступает значение п-й производной в начальной точке первого участка дискретизации, которое сохраняется в этом блоке и после размыкания ключа 15.

Импульс с выхода 42 блока 33 поступает также на вход 11 накопителя 6, начальные условия записываются в регистр 54 через многоканальный вход 8. При этом к начальным условиям добавляется еще п-я производная. Запоминание начальных условий первого участка дискретизации необходимо для точного восстановления исходного процесса.

Кроме того, после поступления 2п-го или (2п+1)-го дискретного значения на одном из выходов 44 или 45 блока 33 (в зависимости от исходного состояния триггера 59) появляется 1 Предположим, что 1 появляется на выходе 45. Тогда замыкаются ключи 18 20, 47 и 50, на входы преобразователей 22 и 23 поступают п-е производные, и оба преобразователя начинают воспроизводить первый участок дискретизации. На вход преобразователя 22, формирующего сплайн S(х), п-я производная поступает через ключ 18 п-й преобразователь 13 с п-го цифрового фильтра 5, а на вход преобразователя 23, формирующего S(x), - через ключ 20 с блока 16 памяти. Через ключ 50 выход преобразователя 23 подключается к входу 35 блока 33, а выход преобразователя 22 через ключ 47 - к выходу устройства. В момент поступления 2п-го или (2п+1)-го импульса генератора 4 в первой (считая от входа) ячейке регистра 12 находится п-я производная первого участ

223276

ка дискретизации, а во второй - н еГко- торое произвольное значение. Передача содержимого второй ячейки регистра 12 в накопитель 6 в этот момент , не происходит, так как на входе 10 накопителя 6 отсутствует управляющий импульс. (Дальнейшее описание работы приведено для п нечетного).

При поступлении от генератора А fO (2п+1)-го импульса заканчивается первый и начинается второй участок аппроксимации (фиг.5а). В этот момент происходят следующие изменения. В регистр 3 через преобразователь 2

изпоступает (2п+1)-е значение f

меряемого процесса f(x), которое заполняет первую ячейку, а бывшее содержание всех ячеек перемещается на одну позицию в направлении выхода.

На выходе п-го цифрового фильтра 5 формируется значение п- производной, которое через ключ 18 поступает на вход преобразователя 22, начинающего воспроизводить второй участок исходного процесса с новой п-й производной. В регистре 12 первую ячейку займет значение п-й производной второго участка, а во вторую ячейку перейдет п-я производная первого участка. В блоке 33 происходит сравнение истинного значения измеряемого процесса в (1+1)-й конечной точке первого участка аппроксимации, которое равно i-му (начальному) значению второго участка, так как аппроксимация производится без разрыва функции на границах участков, и которое после прихода (2п+1)-го импульса генератора 4 перемещается в (п+1)-ю ячейку регистра 3 с аппроксимированным значением (1-И)-й точки первого участка, сформированньт на выходе преобразователя 23. Эти величины поступают в блок 33 по входам 34 и 35.

Так как частота дискретизации выбирается таким образом, чтобы каждый участок аппроксимировался функциональ- ными преобразователями 22 и 23 с достаточной точностью, то в конце первого участка рассогласование величин, поступающих на входы 34 и 35,

не превышает заданного предела. Поэтому после прихода (2п+1)-го импульса генератора 4 на границе первого и второго участков на выходах 40

и 41 блока 33 импульс не появляется, так что ключ 15 не замыкается, а в регистры накопителя 6 не записьшает- ся информация. В результате на вход

713

преобразователя 23 в начале второго участка подается п-я производная первого участка, которая хранится в блоке 16 памяти. Такое состояние сохраняется до. тех пор, пока после поступления k-ro () импульса генератора 4 рассогласование превысит заданный уровень (фиг,5а). В этот момент закончится аппроксимация (k-2n)

Таким образом, после появления

го участка и начинается аппроксимация О рассогласования, превышающего заданследующего (k-2n+1)-ro участка. В выходной ячейке регистра 12 в это время находится п-я производная предыдущего (k-2n)-ro участка.

Превышение рассогласования вызывает следующие изменения состояния. С небольшой задержкой после поступления k-ro генератора 4 на выходах 39-41 блока 33 появляются короткие

t5

ный уровень, преобразователи 22 и 23 меняются ролями: тот преобразователь, который аппроксимировал каждый участок по новым значениям п-й производной на этом участке, передает значения, полученные на выходах своих интеграторов 24, на входы установки начальных условий интеграторов 24 другого преобразователя, а сам начиный уровень, преобразователи 22 и 2 меняются ролями: тот преобразовател который аппроксимировал каждый учас ток по новым значениям п-й производной на этом участке, передает значе ния, полученные на выходах своих ин теграторов 24, на входы установки начальных условий интеграторов 24 другого преобразователя, а сам начи

импульсы, на выходе 45 устанавливает- 20 нает воспроизводить все последую- ся О, на выходе 44 1. Кратковре- щие участки по п-й производной, заполненной в момент

менно замыкаются ключи 15 и 30, размыкаются ключи 18, 20, 47 и 50 и замыкаются ключи 19, 21, 48 и 49. Это

7

приводит к тому, что на вход преобра- ходного процесса.

рассогласования. В результате на выходе устройства получается точная аппроксимация иса запомненные в

зоваталя 23 поступает п-я производная (k-2n+1)-ro участка, а на входы установки начальных условий интеграторов 24 преобразователя 23 через ключи 30 подаются с выходов интеграторов 24 преобразователя 22 значения, достигнутые к началу данного участка. Поскольку на вход преобразователя 22 на всех предыдущих участках подавались истинные значения п-й производной, то на выходах его интеграторов 24 к моменту начала (k-2n+1)-ro участка, устанавливаются точные значения начальных условий для этого участка, так что, поступив на входы установки начальных условий преобразователя 23, они обеспечат на его выходе, который через ключ 49 соединяетс с выходом устройства, точное воспроизведение этого участка.

Импульс с выхода 41 блока 33 поступает на вход 10 накопителя 6, что обеспечивает запись в регистр 52 п-й производной (k-2+1)-ro участка, а в регистр 51 - номера такта (импульса генератора 4, т.е. кода, соответствующего величине k. Эти данные в регистры накопителя 6 поступают с выхода регистра 12 и с вьйсода 43 блока 33, оци являются су цественными координатами х-, fj измеряемого процесса f(х).

Импу.пьс с выхода 40 блока 33 кратковременно замыкает ключ 15 так, что в блок 16 памяти поступает п-я производная (k-2n+1)-ro участка, а из блока 16 через ключ 19 она подается на вход преобразователя 22, выход которого через ключ 48 соединяется с входом 35 блока 33.

Таким образом, после появления

рассогласования, превышающего задан

ный уровень, преобразователи 22 и 23 меняются ролями: тот преобразователь, который аппроксимировал каждый участок по новым значениям п-й производной на этом участке, передает значения, полученные на выходах своих интеграторов 24, на входы установки начальных условий интеграторов 24 другого преобразователя, а сам начинает воспроизводить все последую- щие участки по п-й производной, заполненной в момент

нает воспроизводить все последую- щие участки по п-й производной, заполненной в момент

рассогласования. В результате на выходе устройства получается точная аппроксимация иса запомненные в

накопителе 6 п-е производные и номера участков, где они сформированы, не позволяют при последующем воспроизведении процесса выйти рассогласованию за Недопустимые пределы.

Устройство может найти применение для запоминания хромотограмм, у которых имеются узкие микропики, находящиеся на склоне широкого (основного) пика (фиг.56). I

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства в сравнении с известным заключается в том, что оно устраняет избыточную информацию, уменьшая потребную емкость запоминающих устройств при создании банков данных.

45

50

55

Формула изобретения

1. Кусочно-полиномиальньй аппрок- симатор, содержащий генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом первого регистра, информационный вход которого является информационным входом аппро- ксиматора, цифровые фильтры, выходы которых соединены с входами одноименных первых цифрояналоговых преобразователей, блок управления, первый, второй выходы которого соединены с управляющими входамя соответственно первого, второго блоков ключей, выходы которых соединены с одноименными управляющими входами соответственно первого, второго функциональных преобразователей, третий выход блока управления соединен с управляющим входом ключа, и второй цифроанало- говый преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения информационности аппроксиматора, в него введены накопитель, второй регистр, блок памяти и третий-шестой блок ключей, выходы первого регистра соединены с одноименными входами цифровых фильтров, первый информационный вход накопителя и вход второго цифроаналогового преобразователя объединены и подключены к одному из выходов первого регистра, вторые информационные входы накопителя подключены к выходам соответственных цифровых фильтров, информационный вход второго регистра подключен к выходу последнего цифрового фильтра, выход второго регистра соединен с третьим информационным входом накопителя, выходы первых цифроаналоговых преобразователей, кроме последнего, соединены с соответствующими первыми информационными входами третьего и четвертого блоков ключей, выходы которых соединены с одноименными уп- равляюш1ми входами соответственно первого и второго функциональных пре30 сравнения, выход которого соединен с первыми входами элемента ИЛИ и перво го триггера, второй вход первого триггера подключен к шине нулевого потенциала, выход первого триггера

образователей, выход последнего цифроаналогового преобразователя из пер- э соединен с первыми входами первого т вых цифроаналоговых преобразователей третьего элементов И, выходы которых

соединен с информационным входом соединены соответственно с вторым ключа и первым и вторым информацион- входом элемента ИЛИ и входами первоными входами пятого блока ключей.

выход ключа соединен через блок памя- 40 элемента задержки соединен с управти с третьим информационным входом пятого блока ключей, первый, второй выходы пятого блока ключей соединены с информационными входами соответственно первого, второго функциональных преобразователей, выходы которых соединены с одноименными информационными входами соответствендо второго, первого блоков ключей, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с вторыми информационными входами третьего, четвертого блоков ключей и первым входом блока управления, второй вход блока управления объединен с тактовым входом второго регистра и подк1почен к выходу генераторл гактовых импульсов.

третий вход блока управления является управляющим входом аппроксиматора, четвертый-восьмой выходы блока управления соединены соответственно с

первым управляющим входом накопителя, вторым управляющим входом накопителя и управляющими входами третьего, четвертого блоков ключей, четвертым информационным входом накопителя, первыми управляющими входами пятого, шесто1 о блоков ключей и вторыми управляющими входами пятого, шестого блоков ключей, первый, второй информационные входы щестого блока ключей

подключены к последним входам соответственно первого, второго функциональных преобразователей, первый выход шестого блока ключей соединен с четвертым входом блока управления,

второй выход шестого блока ключей является выходом аппроксиматора.

2. Аппроксиматор по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит счетчик, элемент сравнения, элемент задержки, триггеры, компаратор, элементы И, элемент ИЛИ и одновибраторы и шину нулевого потенциала, выход счетчика соединен с первым входом элемента

сравнения, выход которого соединен с первыми входами элемента ИЛИ и первого триггера, второй вход первого триггера подключен к шине нулевого потенциала, выход первого триггера

соединен с первыми входами первого го, второго одновибраторов, выход

ляющим входом компаратора, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И и входом второго триггера, прямой и инверсный выходы

45 второго триггера соединены с вторьтми входами соответственно второго и третьего элементов И, первый, второй информационные входы компаратора, второй вход элемента задержки явля50 ются соответственно первым,четвертым, третьим и вторым входами блока управления, выходы второго, первого одно- вибраторов, элемента ИЛИ, первого элемента И, элемента сравнения, счет55 чика, второго и третьего элементов И являются соответственно первым-восьмым выходами блока управления.

п

W

51

52

11

54

Фиг. 2

Риг.З

fS 60

I

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике и может использоваться при создании автоматизированных банков данных. Изобретение позволяет повысить информативность аппроксиматора за счет сжатия данных методом адаптивной дискретизации. Сжатие данный осуществляется двумя функциональными преобразователями, один из которых осуществляет кусочную аппроксимацию в начале каждого участка дискретизации, а другой аппроксимирует этот же участок по запомненной производной некоторого ранее прошедшего участка. Кусочно-полиномиальный аппроксиматор содержит аналого-цифровой преобразователь 2, регистры 3, 12 сдвига, генератор 4 тактовых импульсов, цифровые фильтры 5, накопитель 6, цифроаналоговые .преобразователи 13, 14, ключ 15 блок 16 памяти, блоки 17, 25, 27, 29, 31, 46 ключей, функциональные преобразователи 22, 23, вьшолненные на интеграторах 24, и блок 33 управления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л со ю N5 СО to vj

a/

f f fz f, ...x.«.

J;/;rj J,) У2/.«..

)

ГТИ jy i2

1 Сущестбенная Zn 2пЩ .. координата

y

r-3ju ГТИщ.

«2

fPuB. 5

Составитель М.Никуленков Редактор Н.Рогулич Техред Л.ОлийНЕЛк Корректор А. Зимокосов

Заказ 2868/48 Тираж 672Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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