СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СЛУЧАЙНЫХПРОЦЕССОВ Советский патент 1974 года по МПК G06G7/52 

1

Предлагаемое .изобретение относится к устройства. для статистического анализа случайных лроцессов, в частности, для получения гистограмм дифференциальных и интегральпых функций распределения величин, изменяющихся во времени и являющихся случайНЫМИ.

Известные статистические анализаторы, работа которых основана на методе равномерных дискретных (Быбогрок, Н;ри меняются для нз.мерания функций распределения контролируемых процессов, обладающих, как правило, свойствами стационарлости и эргодичности, например, статистический анализатор аналоговых величин.

Однако существует большое число реаль1НЫХ объектов, в которых существенную роль «грают случайные процессы со скрытыми периодичностями. Налример, изменение пара метров электрического режи.ма на щинах тяговых нодстанций электрифицированного транспорта может содержать статистически значимую скрытую периодическую компоненту, вызванную установленным графиком движения поездов. С такого рода случаями приходится сталкиваться также при определении в динамике эксплуатацианных качеств двигателей влутреннего сгорания, газовых турбин, гребных винтов, электрических машии, при определении характеристик механических передач, т. е. во всех случаях, когда режим работы объекта является циклическим. Математическая модель таких процессов может быть представлена формулой:

(0 т(0 +8(0,(1)

где x(t) - исследуемый процесс;

m(t) -детерминированная функция времени, выраженная в виде математического ожида.ння (()то+т (/);

е(/) -центрированная стационарная

случайная функция времени;

OTO и т (i) - .постоянная и периодическая составляющая m(t) соответственно.

Очевидно, что процесс x(t) не является стацианарным, так как его математическое ожидание зависит от времени. Особеняюстью такого нестационарного процесса является наличие,в нем периодической компоненты т (t), у которой период и амплитуда, как правило,

заранее неизвестны. Статистический анализ случайных процессов, содержащих периодическую составляющую m(t, известными анализаторами приводит к значительной погрещности .измерения, которая быть частич,.но устранена за счет увеличения установленного времени измерания в зависимости от частоты периодической составляющей т (О исследуемого процесса x(i). Но как частота периодической компоненты заранее неизвестна, то задача по определен-ию необходимого времени измерения становится неопределенной и ошибка измерения является неизбежной.

С целью достоверного .параллельного статистического анализа случайных процессов как стационарных, так -и содержащих периодические составляющие, .изменяют период следования импульсов опроса (дискретных выборок) по случайному закону нутем введения в параллельный анализатор генератора случайных импульсов, подключенного через схему сопряжения ко входу ключа запрета, включенного в день управления генератора тактовых импульсов,

Йа чертел е приведена функциональная схема статистического анализатора случайных процессов.

Статнстический анализатор случай ных лроцессов состоит из многоканального измерительного блока Л количество каналов которого равно числу к параллельно анализируемых Процессов x{t), нересчетной схемы 2, представляющей собой п-разрядный двоичный счетчик импульсов и выполненной на триггерах Тг1-Тгп; генератора тактовых импульсов (9, выход которого подключен ко входу пересчетной схемы 2; генератора случайных импульсов 4; схемы сопряжения 5, :выполненной, например, в виде симметричного управляющего триггера, вход «О которого подключен к выходу генератора случайных и.мпульсов 4, вход «I - к выходу старшего разряда нересчетной схемы 2; электронного (транзисторного) ключа-элемента запрета 6, включенного последовательно в цепь питания генератора тактовых импульсов 3, причем вход ключа зацрета 6 присоединен к выходу схемы сопрял ения 5; дешифратора 7, выполненного, например, в виде диодной матрицы, у которого входы присоединены к выходам соответствующих разрядов пересчетной схемы 2; электронных (транзисторных) ключей S, число q которых равно () и входы которых соответственно подключены к выходным щинам, кроме первой, дешифратора 7; преобразователя 9 двоичного кода в аналог, выполненного по схеме параллельного преобразователя суммирования напряжений с эталонными сопротивлениями двух но-миналов R и 2, входы которого подключены соответственно к выходам разрядов пересчетной схемы 2. Каждый канал измерительного блока / содержит электронный (транзисторный) Ключ 10; счетчики электрических импульсов 1 (СИ), которые одними свонм-и зажимами соединены через нервые транзисторные ключи 8 с одним из полюсов источника питания f/,,, а другими зажимами соединены между собой и через транзисторный ключ -Ю нзмерительного блока / - с другим полюсом .источника питания и,,; сравнивающее устройство 12, на информационный вход которого воздействует анализируемый случайный нроцесс x(t), второй вход подключен к выходу преобразователя 5 двоичного кода в аналог, а третий вход (сброс) присоединен к выходу старшего разряда пересчетной схемы 2; переключатель 13, у которого один неподвижный контакт 14 нрисоединен к первому («интегральному) выходу

0 сравнивающего устройства 12, а другой ненодвижный контакт /5 - ко второму («дифференциальному) выходу сравнивающего устройства 12, а подвижный контакт 16 подключен ко входу транзисториого ключа W из5 мерительного блока /.

За исходное принимается такое состояние схемы, когда выходное плечо управляющего триггера схемы сопряжения 5 открыто. При этом импульс на выходе генератора случайных импульсов 4 отсутствует, электронный ключ запрета 6, вкvтючeииый последовательно в цепь питания генератора тактовых импульсов 3, закрыт.

С появлением нмнзльса на выходе генера- тора случайных импульсов триггер схемы сопряжения 5 опрокидывается н с его выхода снимается высокий потенциал, который, поступая на вход электронного ключа 6, открывает его и разрещает работу генератора тактовых импульсов 3. Генератор тактовых импульсов 3 вырабатывает последовательность импульсов с заданной частотой повторения, которые поступают на вход пересчетной схемы 2. С выходов триггеров Тг1 - Тгя нере5 счетной схемы 2 имнульсы в дволчном коде поступают на входы дешифратора 7, с выходов которого импульсы в позицион.ном коде, называе.мые в дальнейшем импульсами разрешения записи, поступают поочередно на входы электронных (транзисторных) ключей 8. Одновременно с выходов триггеров Тг1-Tr/t пересчетной схе.мы 2 .импульсы поступают на входы преобразователя 9 двоичного кода в аналог, который в течение каждой серни, состоящей из 2 импульсов тактового генератора 3, формирует на своем выходе импульсы онроса, нередний фронт которых образован равномерно изменяющейся ступенчатой кривой. Анализнруемые нроцеосы Xi(t),X2(t), . . . ,

0 Xk (t) воздействуют на информациовные входы соответствующих сравнивающих устройств 12 .измерительного блока /. Импульсы опроса поступают одновременно на вторые вхо.ды сравнивающих устройств 12, «на.кладываясь таким образом в каждом из сравнивающих устройств 12 на соответствующие анализируемые процессы. «Ступеньки в течение каждого имяульса опроса образуют уровни квантования амплитуд анализнруемых процессов

0 Xi(t), X2{t),..., XK (t), a число их определяется количеством разрядов п пересчетной схемы 2 и равно 2. При этом число .интервалов (квантов), на которое разбиваются возможные амплитуды анализируемых процессов,

5 равно 2 - 1. Таким образом, равномер.ноизменяющаяся часть импульсов опроса используется в качестве эталонного .напряжения для сравнения с анализируемыми. Заметим, что так как выходы пересчетной схемы 2 под-ключены ко входам дешифратора 7 .и преобразователя 5 двоич,ного кода в аналог, то временные позиции соответствующих импульсов разрешения записи на выходах дешифратора 7 и «ступенек импульса опроса, лежащих иа оси времени t, совпадают по времени с импульсом разрещения записи, снимаемым с первой шины дешифратора 7, -вторая «ступенька совпадает с импульсом разрещен.ия записи, снимаемым со второй щины дешифратора 7, и т. д. Так как первый квант образуется между первой и второй «ступеньками, то первый импульс разрешения записи не используется (соответствующая щина свободна) и соответствие по времени формирования квантов и импульсов разрешения записи устанавливается следующим: первый кваит соответствует второму импульсу разрешения записи (вторая шина дешифратора 7), второй квант - третьему и т. д. iB момент равенства ступенчатого «апряжения .и анализируемого на выходах сравнивающего устройства появляются импульсы различной длительности. Если подвижный контакт 16 переключателя 13 установлен в положение -14, то на вход траизисторйого ключа 10 измерительного блока / поступает импульс с первого («илтепрального) выхода орав«ивающего устройства 12, если же контакт 16 установлен в положение 15, то на вход транзисторного ключа 10 поступает им пульс со второго (.«дифференциального) выхода сравнивающего устройства 12. Переключатель 13 позволяет оперативно изменять задачу статистического ааализа в зависимости от (необходимости получения гистограмм интегральных или дифференциальных законов распределения по одно.му ил.и нескольким анализируемым процессам. Для получения гистограмм интегральных функций распределения анализируемых величин подвижный контакт 16 ставят в положение 14. Тогда им|пульс с первого («интегрального) выхода сравнивающего устройства 12 -поступает на вход транзисторного ключа 10 измерительного блока I, который, открывщись, (подключает клемму источника питающего напряжения Un К одним зажимам счетчиков .импульсов () на время, равное длительности с момента сравнения до окончания текущего импульса опроса. В течение этого времени импульсы разрешения записи поочередно открывают транзисторные ключи 5, которые в той же последовательности подключают к другим зажимам счетчиков импульсов второй полюс питающего напряжения /.„. При этом поочередно срабатывают счетчики импульсов, у которых окажутся одновременно тюдключенными к источнику питания оба зажи.ма. При попадании величины Х (О вначале во второй, а затем в первый, шестой и третий кванты, длительности И1.м1пульсов, поступающих на вход транзисторного ключа 10, обеспечивают срабатывание групп счетчиков вначале СИ2-СИ, затем СИ1-СИ(7 и т. д. Для получения гистограмм дифференциальных функций распределения анализируемых процессов подвижный контакт 1-6 переключателя 13 ставят в положение 15. Тогда имнульс со второго («дифференциального) выхода сравнивающего устройства 12 поступает на вход транзисторного ключа 10. Транзисторный ключ 10 открывается и подключает клемму источника питающего напряжения 7„ к одним зажимам счетчиков импульсов на время, равное длительности входного им.пульса, а длительность входного импульса устанавливается несколько меньшей длительности одной «ступеньки импульса опроса. При этом срабатывает тот из счетчиков импульсов, ко второму зажиму которого транзисторный ключ 8 подключает другую клемму источника питающего .напряжения /„, к(1} последовательно попадает во второй, первый, шестой .и третий кванты. Вре.менные позиции импульсов, снимаемых со второго («дифференциального) выхода сравнивающих устройств 12, совпадают вначале с третьим, затем со вторым, седьмым и четвертым И1Мпульсами разрешения записи. Соответственно срабатывают счетчики электрических импульсов СИ2, СИ1, СИ6, СИЗ. Через 2 импульсов тактового генератора 3 импульс с выхода старшего разряда пересчетной схемы 2 поступает на третий вход сравнивающего устройства 12 и на вход «Ь управляющего триггера схемы сопряжения 5, восстанавливая тем самым исходное состояние. С приходом следующего импульса с генератора случайных импульсов 4 описанный цикл работы схемы предлагаемого анализатора повторяется. Так как генератор случайных импульсов 4 является устройством, разрещающим начало формирования импульса опроса, длительность которого фиксирована и определяется частотой тактового .генератора 3 и ЧИ6ЧО.М .разрядов п пересчетной схемы 2, то период следования импульсов опроса и. следовательно, частота выборок будет случайной величиной, закон распределения которой определяется только соответствующими характеристиками генератора случайных импульсов. Как правило, составляющие (см. формулу (I) анализируемого процесса x.t} являются независимыми, так как порождаются различными пр.ичинами. Это означает, что функция распределения процесса K(i} является композицией функций распределения его составляющих. Известные статистические анализаторы, использующие метод равномерной выборки, могут давать достоверные статистические оценки ли.щь при а.нализе составляющих /По и 8(0 Измерение же статистик периодической составляющей гп. (t) такими анализаторами приводит к искажению кривой ее функции