Анализатор случайных процессов Советский патент 1981 года по МПК G06G7/52 

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам, предназначенным для анализа статистических свойств случайных процессов и их оценок. В ряде случаев сигналы, характери зующие некоторый процесс, поведение объекта или системы в .ieкоторые неизвестные моменты времени могут изменять свои статистические свойства. Причинами этих изменений могут быть нестабильность характеристик контрол ной и регистрирующей аппаратуры, ненормальность функционирования самих наблюдаемых объектов, а также влияние некоторого внешнего фактора или события. Аномальные участки случайного про цесса, не свойственные статистической структуре сигналов системы, могут при их неучете привести к грубым погрешностям при оценке характеристи изучаемых систем (в особенности при автоматической обработке данных) и к ложным выводам при интерпретации получаемых результатов. В этих случаях желательна автоматическая проверка гипотезы о наличии момента изменения свойств наблюдаемого процесса, т. е. момента разладки процесса. так как преобразование сигналов различной физической природы к виду электрических не представляет затруднений, рассмотрим устройства, оценивающие статистические свойства электрических сигналов. Известны устройства для оценки статистических свойств электрических сигналов путем вычисления функциираспределения корреляционных функций 1. Наиболее близким к предлагаемому является анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, вычислитель текущего среднего и текущей дисперсии, блок деления, управляющее устройство, амплитудный селектор и блок регистрации с двумя выходами, позволяющий выделять одиночные аномальные выбросы в реализации случайного процесса, исключать их, изменяя на теку-, щее среднее значение и фиксировать момент их появления pj. Недостатком такого анализатора является то, что когда аномальные результаты не являются- одиночными выбросами, а отражают закономерное его изменение, порожденное природой самого процесса (разладкой), использование его невозможно. Это связано с Коррекцией выбросов, вносимых в реализацию процесса самим анализатором изобретения - повышение точности анализатора случайных процессов. Поставленная цель достигается тем что в анализатор случайных процессов содержащий сумматор, первый вход которого является входом анализатора, вычислитель текущей дисперсии, первый выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к первым входам блока реги страции и амплитудного селектора, второй вход которого соединен с блоком управления, введены первый и вто рой ключи, экстраполятор, анализатор длительности сигнала и блок памяти, выход и первый вход которого соедине ны соответственно с вторым входом блока деления и вторым выходом вычис лителя текущей дисперсии, вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход которого подключен к пер вому входу первого ключа, выход кото рого через экстраполятор соединен с вторым входом сумматора, а второй вход первого ключа соединен с вторым входом блока памяти и выходом второго ключа, первый вход которого подключен к выходу анализатора длительности сигнала и второму входу блока регистрации, третий вход которого подключён к выходу амплитудного селе тора, входу анализатора длительности сигнала и второму входу второго ключа. Работа устройства основана на про верке расхождения величины, являющей ся квантелем распределения, и текущей оценки, определяемой внлражением t. T) . где V( t) J x(T) -yCrO dT; t-iT , yCC - функция, аппроксимирующая случайные сигналы на инt, t + Т, натервалеy(t) пример, t - момент разладки процесса; Т - интервал аппроксимации, x(t) - значения проверяемого сиг Vlt, т) - дисперсия сигнала, измеренная, начиная с момента t времени на интервале t. . Для начала анализа момент t, рактеризующий момент включения, пола гается равным t. АнЪмальный однозначный выброс при водит к скачкообразному изменению V(t) , при этом продолжительность уча стка превышения данной статистикой порога точно равна длине скользящего интервала Т. В случае разладки процесса длительность участка превышения отлична от Т. Таким образом, устройство Фиксирует факт и момент аномального выброса, если длительность участка превышения статистикой V(t)порога равна Т и разладку .процесса - в случае большей длительностиПрименение величины V(t), определяемой соотношением (1), основывается на том, что отношение выборочных дисперсий следует распределению Фишера. На чертеже приведена схема анализатора. Анализатор содержит сумматор 1, первый ключ 2, экстраполятор 3, вычислитель 4 текущей дисперсии,, блок 5 памяти, блок 6 деления, блок 7 управления, амплитудный селектор 8, блок 9 регистрации, анализатор 10 длительности сигнала, второй ключ 11. Анализатор работает следующим образом. Исследуемый процесс, преобразованный в электрический сигнал, поступает Одновременно на вход сумматора 1 и через первый вход (аналогового) первого ключа 2 на экстраполятор 3. Аналоговый ключ 2 пропускает информацию со входа устройства на экстраполятор 3 в течение интервала времени t, t + Т. Экстраполятор 3 рассчитывает коэффициенты аппроксимирующего полинома заданной степени и прогнозирует значения интерполяционной функции для любого t t + Т. Прогноз осуществляется вплоть до следующего момента разладки. Сумматор 1, на второй вход которого поступают значения сигнала, рассчитанные по интерполяционному полиному, осуществляет центрирование исследуемого процесса. С выхода сумматора 1 сигнал разности поступает на вход вычислителя 4 текущей дисперсии, с выхода которого напряжение, пропорциональное текущему значению скользящей дисперсии, поступает на первый вход блока б деления, на второй вход которого поступает напряжение, пропорциональное значению наЧсшьной дисперсии V( t, Т) из блока 5 памяти, в котором запоминается ее значение. Блок 6 деления вычисляет отношение в соответствии с выражением (1). С выхода блока б деления сигнал, пропорциональный оценке V ( t) , поступает в амплитудный селектор 8 и на первый вход блока 9 регистрации. Блок 7 по принятому значению доверительной вероятности и соответствующему этому значению квантилю устанавливает пороги ограничения по верхнему и по нижнему уровням ограничителей в соответствии с кривой зависимости напряжения от доверительной вероятности и интервала Т. Пока сигнал оценки не превышает установленных порогов ограничения на выходе амплитудного селектора 8 сигнал отсутствует. В случае превышения порога с амплитудного селектора 8 на второй вход блока 9 регистрации и анализатор 10 поступает сигнал длительностьгоПри Т Т анализатор 10 длительности сигнала идентифицирует аномаль ный выброс в процессе и вырабатывает импульс, Поступающий на третий вход блока 9. Таким образом, при появлении импульса на входе, блока регистрации, соединенном с амплитудным селектором разладка фиксируется только в том ьлучае, если нет сигнала на входе, соединенном с анализатором длительности, иначе фиксируется аномальный выброс в процессе. С выхода амплитудного селектора 8 сигнал превышения порога поступает также на первый вход (глюча 11, управ ляемого по второму входу, соединенно му с выходом анализатора 10 длительности сигнала. При отсутствии сигнала на втором входе ключе 11 открыт. При этом сигнал разладки поступает навторой вход аналогового ключа 11, который открывает вход новой порции информации на экстраполятор 3, который производит расчет новых коэффици ентов полинома без учета .старой информации о процессе. Этим же сигналом стирается информация в блоке 5 памяти. В блоке 9 регистрации одновременно фиксируется информация 6 текущем времени, что позволяет установить мо мент разладки или аномального выРрос процесса в реальном масштабе времени. Предлагаемое устройство разбивает весь процесс на квазиоднородные учас ки, внутри которых можно считать, чт математическое ожидание изменяется по некоторому закону, задаваемому ап проксимирующим полиномом, а дисперсия существенно не изменяется и по величине пропорциональна сигналу на выходе блока 5 памяти. Текущие значения J(t) описывают отклонения от этих параметров внутри каждого участ ка. Вместе с тем анализатор регистри рует аномальные выбросы процесса. Таким образом, анализатор обеспечивает возможность оценки статистических случайных процессов с одновременной регистрацией аномальных измерений, участков ненормальности (сбоев) работы аппаратуры или изменения режимов, что предотвращает опасные аварийные ситуации и повышает обоснованность принятия решения на управление. Формула изобретения Анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, первый вход которого является входом анализатора, вычислитель текущей дисперсии, первый выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к первым входам блока регистрации и амплитудного селек.тора, второй вход которого соединен с блоком управления, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности, он содержит первый и второй ключи, экстраполятор, анализатор длительности сигнала и блок памяти, выход и первый вход которого соединены соответственно с вторым входом Ълока деления и вторым выходом вычислителя текущей дисперсии, вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход которого подклвочен к первому входу первого ключа,выход которого через экстраполятор соединен с вторым входом с хматора, а второй вход первого ключа соединен с вторым входом блока памяти и выходом второго ключа, первый вход которого подключен к выходу анализатора длитель нести сигнала и второму входу блока регистрации, третий вход которого пoдкJдачeн к выходу амплитудного селектора, входу анализатора длительности сигнала и второму входу второго ключа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 324663, кл. G 06 G7/52, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 318,956, кл.С 06 G 7/52, 1971 (прототип).