АНАЛИЗАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Советский патент 1971 года по МПК G06G7/52 

Предлагаемое устройство относится к области снециализированных вычислительных устройств, предназначенных для анализа статистических свойств случайных процессов и их оценок. В ряде случаев сигналы в автоматических системах содержат аномальные зиачения или «выбросы. Их появление может быть связано как с погрешностями аппаратуры контроля и регистрации, так и с проявлением ненормальностей в функционировании самих управляемых объектов, технологических ироцессов или нроцессов унравлеиия движением, нодвергающихся контролю. Аномальные значения, не свойственные статистической структуре сигналов системы, могут нри их учете привести к грубым погрешностям при оценке характеристик изучаемых систем в ироцессе их анализа (в особенности при автоматической обработке данных) или к погрешиостям управления (например, в самонастраивающихся системах). В этих случаях желательна автоматическая проверка гинотезы о принадлежности аномальных значеНИИ данной реализации случайного сигнала. Так как преобразование сигналов различной физической природы в электрический сигнал не представляет затруднений, рассмотрим устройства, оценивающие статистические свойства сигналов, заданных в виде электрических нанряжений. Известные устройства для оценки статистических свойств электрических сигналов путем вычисления функций распределения, корреляционных и дисперсионных функций, а также спектральных плотностей не нроизводят проверки исходной информации с целью выявления и учета при иостроении указанных статистических характеристик аномальных значений в исследуемых реализациях. Предлагаемое устройство решает задачу автоматической проверки исходного сигнала в указанном смысле в реальном масштабе времени, производя при этом фиксацию моментов времени, соответствующих аномальным значениям сигналов. Аномальным значением сигнала нрн этом считают «выбросы, не удовлетворяющие гинотезе о их принадлежиости к данной реализации или выборке, если анализ ведется в дискретной форме. Это позволит существенно повысить достоверность статистических характеристик сигналов, получаемых с помощью различных автоматических устройств. щенся квантилем распределения и текущей оценки, определяемой выражением: x(t)mAt)

где x(t) и т.г-СО - значения ироверяемого сигнала и его текущего среднего соответственно; 3x(t)-текущее среднеквадратическое отклонение сигнала.

На фиг. 1 ириведена структурная схема нредлагаемого анализатора; фиг. 2 ноясняет работу управляющего устройства.

Сумматор /, выполненный, например, в виде усилителя постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью, подключен к одному из выходов вычислителя 2 текущих средних и текущих среднеквадратических отклонений сигнала (вычислитель может быть выполнен по известным схемам). Второй выход вычислителя и выход сумматора подсоединены ко входу блока деления 3, содержащего два канала. Первый состоит из аттенюатора и усилителя ностояиного тока, охваченного глубокой отрицательной обратной связью с регулируемым коэффициентом усиления, второй - аналогового блока деления, выполненного по типовой схеме аналоговой техники.

Выход блока деления 3 подключен к амплитудному селектору 4, ко второму входу которого подключено управляющее устройство 5. Амплитудный селектор может состоять, нанример, из усилителя постоянного тока, в цепи обратной связи которого параллельно сопротивлению включены два нараллельно соединенных диода, запертых напряжениями смещения, пропорциональными уровню ограничения, последовательно с которыми включен нуль-орган.

Управляющее устройство 5 содерлсит отметчик времени и прецизионный задатчик высокостабилизированных уровней напряжения. Выходы управляющего устройства и амплитудного селектора соединены со входами регистратора 6, имеющего два параллельных канала - усилитель постоянного тока с глубокой отрицательной связью и аналоговый самописец или цифропечатающее устройство. Вместо самописца или печатающего устройства, в случае использования предлагаемого анализатора в совокупности с построителями характеристик случайных процессов, выход регистратора может быть подключен к соответствующему входу построителя.

Предлагаемый анализатор работает следующим образом.

Исследуемый процесс, преобразованный в электрический сигнал, поступает одновременно на входы сумматора 1 и вычислителя 2. Вычислитель методом скользящего сглаживания вычисляет текущие оценки среднего значения реализации и оценку текущего среднеквадратического отклонения:

где TI- интервал сглаживания.

Сумматор 1, на второй вход которого поступает оценка текущего среднего с выхода вычислителя 2, осуществляет центрирование исследуемого нроцесса. С выхода сумматора центрированный сигнал поступает на один из входов второго канала блока деления, на второй вход которого поступает напряжение с

вычислителя 2, пропорциональное текущему значению среднеквадратического отклонения Ox(t). Делитель осуществляет операцию деления в соответствии с выражением (1). В том случае, если случайный процесс стационарен, и известны оценки статистических характеристик математического ожидания и среднеквадратического отклонения, вычислитель подает на вход сумматора напряжение смещения, пропорциональное математическому ожиданию. Операция деления центрированного сигнала на сигнал, пропорциональный среднеквадратическому отклонению, осуш,ествляется при этом первым каналом блоха деления на постоянный коэффициент с помощью аттенюатора.

С выхода блока деления 3 сигнал, пропорциональный оценке ll(t) поступает в амплитудный селектор 4. Управляющее устройство 5 с помощью прецизионных делителей стабилизированного напряжения постоянного тока по принятому значению доверительной вероятности и соответствующему этому значению квантилю Но устанавливает пороги ограничения ио верхнему и нижнему уровням ограничителей, в соответствии с кривой, приведенной в качестве примера на фиг. 2 для количества элементов в выборке, равного 25.

Таким образом, пока сигнал оценки не превыщает установленных порогов ограничения, он беспрепятственно проходит через амплитудный селектор. В момент равенства модуля сигнала оцеики Ll(t) установленному порогу ограничения открывается в зависимости от

знака сигнала U(t) один из диодов в обратной связи усилителя и он шунтируется этим диодом так, что нанряжение на его выходе становится равным нулевому уровню. Этот эффект равносилен замене «выброса случайного нроцесса его средним значением. При равенстве сигнала lJ(t) по модулю напряжению запирания диода срабатывает нуль-орган, включенный последовательно с цепочкой из нараллельно соединенных диодов обратной

связи усилителя, в результате чего в регистрирующее устройство поступает признак наличия выброса (например, кратковременный импульс напряжения). Регистрирующее устройство 6 .имеет два выхода по числу его ка.(0 4- .X (т)-ш (.) J

роиства - усилитель постоянного тока - осуществляет передачу на выход устройства центрированного сигнала U(t).

Второй канал осуществляет регистрацию сигнала U(t) в виде непрерывной кривой, либо в виде последовательности цифр, отпечатанных на бумажной ленте. Поступающий во второй канал из аплитудного селектора 4 признак наличия «выброса фиксируется рядом с соответствующим нулевым значением сигнала lJ(t). Отметки времени, поступающие нри этом в регистрирующее устройство также фиксируются регистратором на графике или бумажной , что позволяет установить момент времени, соответствующий появлению выброса.

Таким образом, наличие в анализаторе случайных процессов помимо вычислителя текущих статистических оценок сумматора, блока деления, амплитудного селектора, управляющего и регистрирующего устройств позволяет производить автоматическую проверку «выбросов динамических процессов с одновременным исправлением наблюдаемых аномальных значений и фиксацией момента их появления.

Предмет изобретения

У нализатор случай1 ых процессов, содержащий сумматор, связанный со входной клеммой и с одним из выходов вычислителя текущего среднего и среднеквадратпчно1о отклонения исследуемого сигнала, амплитудный

селектор, унравляющее устройство и регистратор с двумя входами, отличающийся тем, что, с целью автоматизации проверки выбросов случайного процесса с одновремен1 ым исправлением аномальных значений и фиксацией моментов их появления, он содержит блок деления, связанный входом первого капала с сумматором, а входом второго канала - с выходом вычислителя текущего среднеквадратичного отклонения, причем выход

блока деления подключен к одному из входов амплитудного селектора, второй вход которого соедииен с управляющим устройством с двумя выходами, один из которых связан с регистратором, второй вход которого подключей к выходу амплитудного селектора.