Адаптивный экстраполятор Советский патент 1991 года по МПК G06F15/353 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве функционального блока первичной переработки информации с прогнозированием тенденции развития процессов в АСУ.

Цель изобретения - повышение точности прогноза значений нестационарных случайных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема экстраполятора; на фиг.2, 3 - пример выполнения структурной схемы арифметического блока; на фиг.4 - пример выполнения структурной схемы фрагмента блока синхронизации.

Адаптивный экстраполятор (фиг.1) содержит информационный вход 1, умножитель 2, блок вычитания 3, умножитель 4, сумматор 5, регистр 6 параметра адаптации, блок 7 синхронизации, регистры 8, 9, блок 10 вычитания, счетчик 11 числа нулей, арифметический блок 12, счетчик 13 циклов, схему 14 сравнения, регистр 15 числа циклов, элемент НЕ 16, выход 17, вход 18 запуска, выходы 19-33 блока 7 синхронизации, вход 34 параметра адаптации экстраполятора, вход 35 периода адаптации экстраполятора, вход 36 константы 2/2, вход 37 константы 1 экстраполятора, вход 38 константы 0,5 экстраполятора, вход 39 константы 2 экстраполятора.

Арифметический блок 12 (фиг.2, 3) содержит делитель АО, квадратор 41, умножитель 42, вычитатель 43, формирователь 44 знака числа, формирователь 45 абсолютной величины числа, схему 46 сравнения, элемент НЕ 47, группу элементов И 48, умножитель 49 группу элементов ИЛИ 50, умножитель 51, вычитатель 52, сумматор 53, вычислители 54, 55 квадратного корня, сумматор 56, умножитель 47, делитель 58.

Фрагмент блока 7 синхронизации (фиг.4) содержит элемент И 59, генератор 60 импульсов, элементы 61, 62 задержки о

Адаптивный экстраполятор работает следующим образом.

В момент включения с входа 18 подается сигнал начала работы,по которому экстраполятор переходит в рабочее состояние. Во время работы по истечении каждого цикла формируется новое значение прогноза случайного сигнала.

Сигнал начала работы подается на обнуляющие входы блоков 3, 10 вычитания, сумматора 5, регистров 8,9 и счетчиков 11 и 13. По этому сигналу их содержимое устанавливается равным нулю, в регистр 6 записывается начальное значение параметра адап тации об , поступающее с входа 34, а в регистр 15 с входа 35 записывается величина периода адаптации Tq.

Начальное значение обычно выбирают в интервале 0,2-0,5. Период адаптации Тд представляет собой количество циклов работы экстраполятора, по истечении которых происходит адаптация экстраполятора, т.е. вычисляется новое значение параметра оЈ. Период Тд определяется натуральными числами TQ 1, 2, 3.... Практически величина Тд лежит в пределах 10-100.

Цикл работы экстраполятора, в теч ние которого получают очередное значение прогноза случайного сигнала длится три такта под управлением блока 7 путем подачи синхросигналов на выходы 19, 20 и 21. Однако если в цикле вычисляется также значение параметра 06, то он длится 15 тактов: сначала под управлением

10

15

20

25

30

35

40

45

синхросигналов на выходах 19-21, а затем под управлением синхросигналов на выходах 22-33.

Пусть период адаптации Т4 10, тогда первые 9 циклов работы экстраполятора будут совершаться за 3 такта каждый, при этом прогноз значений случайного сигнала будет получен при использовании начального значения параметра В десятом цикле для получения прогноза случайного процесса будет также использонаться начальное значение параметра (у/ , но он будет длиться уже 15 тактов. Дополнительные такты организуются для вычисления нового значения параметра 04 „ В следующих десяти циклах прогноз случайного сигнала будет получен при использовании вновь вычисленного значения Об Затем опять вычисляется новое значение и т.д.

Более подробно работа экстраполятора в пределах одного цикла, состоящего из трех тактов, может быть описана следующим образом

Пусть на вход 1 экстраполятора поступило очередное значение случайного сигнала Y.. Тогда по синхросигналу на входе 19 на выходе умножителя 2 устанавливается значение (X Y., на выходе блока 3 - значение (1 -Об). При этом значение I посту-, пает в блок 3 с входа 37„

По синхросигналу на выходе 20 блока 7, поступающему на управляющий вход умножителя 4, на его выходе формируется значение (1 -оОУ,, где Y.,- значение прогноза, полученное в предыдущем цикле.

По синхросигналу на выходе 21 блока 7, поступающему на управляющий вход сумматора 5, на его выходе формируется значение прогноза случайно- гол сигнала, равное YJ. ftrYj- + (1-

Процесс адаптации экстраполятора происходит следующим образом. На протяжении десяти циклов (при Тд 10) информация о случайном процессоре накапливается в счетчике 11 числа нулей. В конце периода адаптации, во время десятого цикла, осуществляется непосредственное вычисление нового параметра в арифметическом блоке 12.

В начале цикла по синхросигналу на выходе, 19 блока 7 случайный сигнал Y. записывается в регистр 8, на выходе блока вычитания 10 устанавливается значение X Y . - Y.( где Y( - значение случайного сигнала в предыдущем цикле При этом счетчик 11 фиксирует число нулей, т.с число пересечений сигналом Xi своего нулевого уровня.

По синхросигналу на выходе 20 блока 7 на выходе регистра 9 устанавливается значение YJ , которое в следующем цикле будет являться задержанным значением Y.j. Таким образом,, регистры 8 и 9 образуют схему задержки входного сигнала на один цикл работы экстраполятора„

По синхросигналу с выхода 21 блока 7, поступающему на счетный вход счетчика 13 циклов, его значение увеличивается на 1 .

При этом, если содержимое счетчика 13 и содержимое регистра 15, хранящего значение TQ, не совпадают, то схема 14 не вырабатывает управляющий сигнал. Соответственно запрещается работа арифметического блока 12 и разрешается благодаря передаче сигнала с выхода элемента НЕ 16 генерирование сигналов на выходах 19-21 блока 7 организации следующего цикла работы экстраполятора„

В случае совпадения значений счетчика 13 и регистра 15, например, в 10-м, 20-м, 30-м и т.д. циклах работы (при Тд 10) на выходе схемы 14 появляется управляющий сигнал, поступающий через элемент НЕ 16 на управляющий вход блока 7 и запрещающий генерирование сигналов на выходах 19 21 и одновременно разрешающий выработку синхросигналов на выходах 22- 33. Это приводит к включению в работу арифметического блока 12.

В арифметическом блоке 12 под управлением сигналов на выходах 22- 32 блока вычисляется новое значение параметра Об, которое записывается в регистр 6 по синхросигналу с выхода 33. По этому же сигналу происходит обнуление счетчиков 11 и 13, тем самым они подготавливают к следующему периоду адаптации экстраполятора,,

При обнулении счетчика 13 схема 14 перестает выдавать управляющий сигнал и работа блока 7 через элемент НЕ 16 разрешается, начинается следующий цикл работы и т.д.

16529806

Арифметический блок 12 работает следующим образом,

С приходом синхросигнала с выхода 22 блока 7 на выходе делителя 40 устанивливается значение пог , где N0)- число нулей процесса, поступающее на первый информационный вход блока 12; Tq - значение периода Q адаптации, поступающее на второй информационный вход блока 12. Величина NOX может принимать значения в диапазоне NoX О, 1, 2, .. ., Тд -1 . Величина Nox, таким образом, есть сред- 5 нее число нулей процесса X., т.е. среднее число пересечений процессом своего нулевого уровня в единицу времени (за один цикл).

По синхросигналу на выходе 23 0 блока 7, поступающему на управляющий вход квадратора 41, на его выходе устанавливается значение пох,

По синхросигналу с выхода 24 блока 7, поступающему на управляющий 5 вход умножителя 42, на его выходе устанавливается значение 2/2.

По синхросигналу с выхода 25 блока 7, поступающему на управляющий вход вычитателя 43, на его выходе 0 Формируется значение рх /2, где РХ значение корреляционной функции при единичном сдвиге сигнала Х..

Элементы 44-50 блока 12 проецируют вычисленное значение 0 на допустимую область значений -0,5} 0,5. Если значение р, полученное в вычита- теле 43, удовлетворяет неравенству -0,5 срхс0,5, то оно используется для дальнейших расчетов. Если 0,5. .. то используется значение 0Х 0,5. Если , то используется значение рх -0,5.

Это происходит следующим образом.

5 По синхросигналу с выхода 26 блока 7, поступающему на управляющие входы формирователя 44 знака и формирователя 45 абсолютной величины, формируется знак числа, т.е. sign (pj и уста0 навливается значение /Рх).

В схеме 46 /рх| сравнивается с величиной 0,5, поступающей с выхода 38 константы. 2сли /Рх/ , то схема 46 выдает сигнал на управляющий

5 вход умножителя 49 и на вход элемента НЕ 47. При этом элементы И 48 закрываются, запрещая передачу значения на вход умножителя 51 через элементы ИЛИ 50.

5

По синхросигналу с выхода 27 блока 7 на выходе умножителя 49 формируется значение 0,5 signCPj) , кото рое подается на вход умножителя 51.

В случае если I ()xl 0,6, умножитель 49 остается в закрытом состоянии, а с выхода элемента НЕ 47 подается разрешающий сигнал на элементы И 48. Поэтому на вход умножителя 51 через элементы 48 и 50 поступает значение рх, вычисленное в вычитате- ле 43.

По синхросигналу с выхода 28 блока 7, поступающему на управляющий вход умножителя 51, на его выходе устанавливается значение ,

По синхросигналу с выхода 29 блока, поступающему на управляющие входы вьгчитателя 52 и сумматора 53, на выходе первого устанавливается значение 1-2рх, а на выходе второго значение 1 + 2 р.

По синхросигналу с выхода 30 блока 7, поступающему на управляющие входы вычислителей 54, 55 квадратного корня, на выходе первого устанавливается значение -Jl-ZPy , на выхо- де второго - значение -fl + 2р„

По синхросигналу с выхода 31 блока 7, поступающему на управляющие входы 56 и умножителя 57, на выходе первого устанавливается значение

+ 2рх + -(1 - 2р,, а на выходе второго - значение 2 -Jl + 2р .

По синхросигналу с выхода 32 блока 7, поступающему на управляющий вход делителя 58, на его выходе, являющемся выходом блока 12, устанавливается значение рЈ , равное 2 х Jl + 2р,(л|1 + 2рх + -Jl V 2рх ),

Формула изобретения

Адаптивнмй экстраполятор, содержащий первый и второй умножители, сумматор, блок вычитания, регистр параметра адаптации, блок синхронизации, причем информационный вход экстраполятора соединен с входом множителя первого умножителя, выход которого соединен с входом первого слагаемого сумматора, выход которого является выходом экстраполятора и соединен с входом множителя второго умножителя, выход которого соединен с входом второго слагаемого сумматора, выход регистра параметра адап0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

тации соединен с входом множимого первого умножителя и с входом вычита емого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с.входом константы 1 экстраполятора, выход блока вычитания соединен с входом множимого второго умножителя, первый выход блока синхронизации подключен к синхровходам первого умножителя и блока вычитания, а второй и третий выходы - соответственно к синхровходам второго умножителя и сумматора, вход запуска экстраполятора соединен с обнуляющими входами блока вычитания и сумматора, с запускающим входом блока синхронизации и с входом начальной установки регистра параметра адаптации, информационный вход которого соединен с входом параметра адаптации экстраполятора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности прогноза значений нестационарных случайных сигналов, в него введены первый и второй регистры, регистр числа циклов, второй блок вычитания, счетчик числа нулей, счетчик циклов, схема сравнения, элемент НЕ и арифметический блок, причем информационный вход экстраполятора соединен с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к входу вычитаемого второго блока вычитания, вход уменьшаемого которого подсоединен к информационному входу экстраполятора, а выход - к информационному входу счетчика числа нулей, выход которого соединен с первым информационным входом арифметического блока, второй, третий, четвертый, пятый и шестой информационные входы которого соединены соответственно с выходом регистра числа циклов, с входом константы Т2/2 экстраполятора, с входом константы 1 экстраполятора, с входом константы 0,5 экстраполятора и входом константы 2 экстраполятора, выход арифметического блока соединен со вторым информационным входом регистра параметра адаптации, первый вход схемы сравнения соединен с выходом счетчика циклов, второй вход - с выходом регистра числа циклов, а выход - с первым управляющим входом блока синхронизации и через элемент НЕ с вторым управляющим входом блока синхронизации, первый выход которого подключен к управляющему входу первого регистра и синхро- входу второго блока вычитания, второй и третий выходы блока синхронизации подключены соответственно к управляющему входу второго регистра и к счетному входу счетчика циклов, с четвертого по четырнадцатый выходы подключены соответственно к синхро- ,входам с первого по одиннадцатый арифметического блока, пятнадцатый

выход блока синхронизации подключен к обнуляющим входам счетчика числа нулей, счетчика циклов и к управляющему входу регистра параметра адаптации, вход запуска экстраполятора соединен с обнуляющими входами первого и второго регистров, второго блока вычитания, счетчика числа нулей и счетчика циклов и с входом начальной установки регистра числа циклов, информационный вход которого соединен с входом периода адаптации.

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для краткосрочного прогнозирования различных нестационарных случайных процессов. Оно может найти применение в автоматизированных системах обработки данных и управления, например в системах с запаздыванием для формирования прогноза значения управляемой переменной с целью определения соответствующего управляющего воздействия. Отличительной особенностью экстраполятора является то, что на основе минимума априорной информации по характеристикам особых точек нестационарного случайного процесса производится соответствующая подстройка параметра адаптации экстраполятора. Положительный эффект устройства заключается в повышении точности прогноза значений нестационарных случайных процессов и уменьшении аппаратурных затрат по сравнению с аналогичными устройствами. Экстраполятор содержит два умножителя, два блока вычитания, сумматор, четыре регистра, блок синхронизации у арифметический блок, схему сравнения элемент НЕ и два счетчика. 4 ил. 3 Ё

Г

59

H

60