Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса Советский патент 1981 года по МПК G06F17/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МОМЕНТА

ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА

Изобретение относится к специализ рованным устройствам вычислительной техники для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса с целью исключения режима разладки из статистической обработки непрерывных сигналов с реальных объектов в телеметрических системах, системах автоматики, связи, радиоэлектроники, физики и др. Известно устройство для оп зеделе- ния момента изменения свойств нормального вгума с экспоненциальной кор реляционной функцией, известные параметры которой могут принимать две пары значений l содержащее блок задержки, блок определения разности, квадраторы, сумматор, усредняющий блок и элемент сравнения. Наиболее близким решением по техн ческой сущности и достигаемому резул тату является устройство для обнаруж ния момента изменения свойств случай ного процесса, содержащее блок управ ления, первый-выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого является входом устройства, блок умножения,- сумматор, два регистра сдвит гаС2. Недостатками известных устройств являются невозможность обнаружения момента изменения математического ожидания случайного сигнала, а также сложность и энергоемкость применяемого оборудования. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известного устройства, а именно определение момента изменения свойств случайного процесса, характеризуемых математическим ожиданием и корреляционной функцией. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены пять регистров, три регистра сдвига, три элемента ИЛИ, два элемента И, элемент задержки и пусковая кнопк а, при этом первый вход первого регистра объединен с первым входом второго регистра и подключен к первому выходу блока управления, вькод первого регистра сдвига соединен с первым входом первого регистра сдвига и с первым входом первого эле - мента ШИ, второй вход которого объединен с первьи входом второго регистра сдвига и подключен к выходу второго регистра сдвига, первый вход и выход третьего регистра сдвига объединены и подключены к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сумматора, первый выход которого подключен к первому входу .четвертого регистра сдвига, первьш вьЬсод которо го соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и подключен к второму выходу четвертого регистра сдвига, выход второго регистра соединен с тр тьим входом третьего элемента ИЛИ, вькод которого подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход блока умножения подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом пятого регистра -сдвига-, первый вход которого подключен к второму выходу сумматора, третий выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выход которого подключен к первому входу блока управления выходы третьего, четвертого и пятого регистров подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому входа второго элемента ИЛИ, седьмой вход которого соединен с выходом первого регистра, второй вход которого объед нен с вторыми входами четвертого и п того регистров сдвига ri подключен к второму выходу блока управления, третьи входы первого регистра, четвертог и пятого регистров сдвига объединены и подключены к третьему выходу блок управления, четвертый выход которог соединен с вторыми входами второго регистра и первого регистра сдвига, с четвертым входом пятого регистра и с вторым входом третьего регистра сдвига, третий вход которого объединен с третьими входами второго реги ра и первого регистра сдвига, с пят входом пятого регистра сдвига и под 4 ключен к пятому выходу блока управления, шестой выход которого подключен к четвертому входу четвертого регистра сдвига, седьмой выход блока управления соединен с пятым входом четвертого регистра сдвига,- шестой вход которого объединен с третьим входом третьего регистра сдвига и подключен к восьмому выходу блока управления, девятый выход которого соединен с третьим входом второго регистра сдвига и с седьмым входом четвертого регистра сдвига, восьмой вход которого подключен к второму выходу блока умножения, вход третьего регистра соединен с десятым выходом блока управления, одиннадцатый выход которого подключен к первому входу пятого регистра, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого подключен к двенадцатому выходу блока управления, тринадцатьм выход блока управления подключен к второму входу второго элемента И, к третьему входу пятого регистра и к входу четвертого регистра, четвертые входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход пусковой кнопки соединен с вторым входом блока управления и через элемент задержки с пятым входом первого регистра, блок управления содержит генератор импульсов, элемент И, триггер и двенадцать последовательно соединенных элементов задержки, при этом выход генератора импульсов подключен к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера, единичный вход которого является вторым входом блока, нулевой вход триггера является первым входом блока, выход элемента И является первым выходом блока управления,.а выходы элементов задержки подключены .к выходам соответственно с второго по тринадцатый блоки управления. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса; на фиг. 2 - блок-схема блока управления. Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса содержит блок 1 управления, аналого-цифровой преобразователь 2, хервый 3, второй 4, третий 5, чет5888вертый 6, пятый 7 регистры, первый 8, второй 9, третий 10, четвертый 11, пятый 12 регистры сдвига, первый И 13 и второй И 14 элементы, сумматор 15, блок 16 умножения, первый ИЖ 17, второй ИЛИ 18 и третий ИЛИ 19 элементы, элемент 20 задержки и пусковую кнопку 21. Блок управления устройства содержит генератор 22 импульсов, элемент И 23, триггер 24 и последовательно включенные элементы задержки 25-36. Принцип работы устройства основан на идее статистического последовательного анализа. Пусть наблюдается стационарный гаусовский случайньй процесс Xi(-t) , определяемый вектором параметров SW,. 1 « который случайный момент времени вектор параметров -9 меняет свои значения и становится равным ,2 Здесь - математическое ожидание 1-го прогресса; Q- - дисперсия; с/. - показатель экспоненты ко реляционной функции К(т) K(r) Ставится задача, зная вектора в, ;и в и наблюдая последовательный ряд 1 --- X случайного про значений X цесса, обнаружить и оценить момент t разладки ( изменения вектора па раметров процесса Х(-Ь)). Алгоритм состоит в последовател ном наблюдении дискретных выборок последуемого процесса и вычисления оч редного значения решающей функции, за которую принят логарифм отношени правдоподобия, определяемый по формуле-А,„м)-е« ( Р,1Уи-и/ 1-- и,в Из формулы (2 видно, что в случае процесса Х (-t , т. а. до момента , функция ) имеет отрица тельное математическое ожидание, а случае процесса Xji(tj , наоборот, положительное математическое ожидание . Далее вводится операция отражения от йулевой оси, заключающаяся в том, что ,)0 еслм с иНлсу(т1)о . cy(и)-дcv() (си)+лф(.и+1)о , .е. до момента to в функции домирует отрицательная составляюдая поэтому она прижимается к оси .После момента-to ФУНКЦИЯ q,(M +U среднем растет почти линейно. Пооговый уровень ее фд , свидетельтвующий о изменении вектора параетров случайного процесса с G на о и время запаздывания с момента зменения свойств сигнала до момена обнаружения связана соотошением/1 (-±--ll CQa-oi) U 7 0-%т()«-а1Асэдпеи -&; I , л де ,(-Q) ,2, т.е. задаваяТ др можно определить ороговый уровень до Qr . Известно, то выражение для плотности вероятности гауссовых процессов имеет вид Р;,СХ,Д.,Х5...Хи,5,)-1 в i cxyn.)(v.(-bqi)3 - JПодставляя (5) в (2 получаем ()-(mrVh-CH),C2)%E, гдеА; (-а,-); Устройство работает следуюпщм образом. Аналого-цифровой преобразователь 2 преобразует исследуемый входной сигнал в код, содержащий пять двоичных разрядов, с частотой, определяемой блоком 1 управления. Преобразованные значения сигнала по импульсу с первого выхода блока 1 за поминаются в регистрах 3,4. Запускается блок 1 от пусковой кнопки 21, причем п/сковой сигнал через элемент 20 обнуляется регистр 3. Продолжительность элемента 20 подобрана таким

образом, чтобы обнуление регистра 3 происходило в промежутке между импульсами с первого и второго выходов блока 1 (один раз при запуске).

Определение АС) проиллюстрируем на примере определения - ступившее число Х является (и+1)для Л.(Ц.- и Х(.и)-м для ДС. По импульсам с второго и третьего выходов блока 1 число X выбирается из регистра 3 и через элемент ИЛИ 18 поступает на сумматор 15. В это же время на другой вход элемента ИЛИ 18 и с него на сумматор 15 поступают знчения () и (-а-гХ -С), вычисленные в предьщущем цикле и запомненные в регистре 12. Числа складываются на сумматоре и по тем же импульсам с второго и третьего Bf iходов блока 1 выралдания (Ct2)(rC+1(c) запоминаются в регистре I1.

По импульсам с четвертого и пятого выходов блока 1 чийло Х выбирается из регистра 4 и через элемент ШШ 19 поступает на вход блока 16, на другой вход которого в то же время из циклр5ческого регистра 8 через элемент ИЛИ 17 поступают значения Oi {-i 1,2),

Числа перемножаются, полученные выражения - X g- через элемент ИЛИ 18 прступак1т на сумматор, где складыванзггся с одновременно поступающими из циклического регистра 10 через элемент ИЛИ 18 ч 1слами (.,2). Полученные выражения 1 ) запоминаются в рёгис.тре 12 до следующего цикла {определения Лй-)

По импульсам с шестого и седьмого выходов блока 1 выражения( Л хранящиеся в регистре 11 через элементы ИЛИ 19, 17 поступают на разные входы блока умножения, где перемножаются сами на себя и запомина1отся в том же регистре 11. По импульсам с восьмого и девятого выходов блока 1 выражения (Хд -а Хд-С) из регистра 11 поступают через элемент ИЛИ 19 на выход блока 16, на другой вход которого поступают числа : (,2 из циклического регистра 9 через элемент ИЛИ 17. Числа перемножаются и через элемент ИЛИ 18 поступают на сумматор 15, где вычитаются.

По импульсу с десятого выхода блока 1 из регистра 5 через элемент ИЛИ 18 на сумматор 15 поступает число Е, которое складьшается с находящимся там выражением, т.е. получаем на сумматоре

.X4-C,)А2(Хр-а2.Х4-С2ДЕ

По импульсу с одиннадцатого выхода блока 1 Д(5 складывается с выржением .S ДЦО, которое поступает на сумматор с регистра 7 через ИЛИ 1 7 и полученное выражение .JJ л.с отправляется на запоминание в регистр 7. По импульсу с двенадцатого выхода блока управления на элементе И 13 анализируется знак .а Д( . В случае отрицательного знака содержимое регистра 7 обнуляется. По импульсу с тринадцатого выхода блока управленияОг -. регистра 7 через элемент ИЛИ 18 поступает на сумматор 15, где из него вычитается пороговое значение решающей функции fVo хранящееся в регистре 6 и поступающее на сумматор через элемент ИЛИ 18. Если VK Vo производится выборка очередного числа X 5 , и весь цикл работы устройства повторяется. Если же то это является сигнашом о наступлении момента разладки Ьр с запаздыванием . Указанный анализ производится на элементе И 14, и при o.j. сигнал с элемента И 14 по цепи обратной связи производит останов блока 1 и, следовательно, всего устройства.

Блок 1 устройства для обнаружения момента изменения свойств случайного процесса работает следующим образом.

Импульс от кнопки 21 ставит триггер 24 в положение, разрешающее прохождение тактовых импульсов с генератора 22 .через элемент И 23. С вькода элемента И 23-импульсы попадают на вход последовательно вклю.ченных элементов 25-36 задержки. Выходы элементов 25-36 вместе с выходом элемента И 23 образуют вькоды всего блока 1. Поступающий по цепи обратной связи с элемента И 14 сигнал перебрасывает триггер 24 в положение, снимающее разрешающий уровень с элемента И 23, т.е. производит останов блока 1 и, следовательно, всего устройства. .j Таким образом, задавая векторы 0 и 2 также время запаздывания последовательно наблюдая |теку1цие значения сигнала X(t) , on ределяется момент изменения свойств случайного процесса в темпе поступления сигналов (с запаздыванием )T.e. предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности известного устройства. Формула изобретения 1 . Устройство для обнаружения момента изменения свойств случайного про цесса, содержащее блок управления, первый выход которого подключен к первому входу аналого-цифрового пре образователя, второй вход которого является входом устройства, блок умножения, сумматор, два регистра сдвига, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет опр деления момента изменения математического ожидания и корреляционной функции, в него введены пять регист ров, три регистра сдвига, три элемент а ИЛИ, два элемента И, злемент задержки и пусковая кнопка, при это первый вход первого регистра объеди нен с первым входом второго регистра и подключен к первому выходу блока управления, выход первого регистра сдвига соединен с первым вхо дом первого регистра сдвига и с первым входом первого элемента ИЛИ, вт рой вход которого объединен с первым входом второго регистра сдвига и под ключен к выходу второго регистра сдвига, первый вход и выход третьего регистра сдвига объединены и подключены к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом сумматора, первый виход которого подключен к первому входу четвертого регистра сдвига, первый выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, второй вход которого объединен с вторым вхо дом первого элемента ИЛИ и подключен к второму выходу четвертого регистра сдвига, выход второго регистра соединен с третьим входом третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу блока умножения второй вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, первый выход блока умножения подключен к второму входу второго элемента ИЛИ третий вход которого соединен с вы3310ходом пятого регистра сдвига, первый вход которого подключен к второму выходу сумматора, третий выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выход которого подключен к первому входу блока управления, выходы третьего, четвертого и пятого регистров подключены соответственно к четвертому, . пятому и шестому входам второго эле- мента ИЛИ, седьмой вход которого соединен с выходом первого регистра , второй вход которого объединен с вторыми входами четвертого и пятого регистров сдвига и подключен к второму выходу блока управления, третьи входы первого регистра, четвертого и пятого регистров сдвига объединены и подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с вторыми.входами второго регистра и первого регистра сдвига, с четвертым входом пятого регистра и с вторьм входом третьего регистра сдвига, третий вход которого объединен с третьими входами втброго регистра и первого регистра сдвига, с пятым входом пятого регистра сдвига и подключен к пятому шходу блока управления, шестой выход которого подключен к четвертому входу четвертого регистра сдвига, седьмой выход блока управления соединен с пятым входом четвертого регистра сдвига, шестой вход которого объединен с третьим входом третьего регистра сдвига и подключен к восьмому выходу блока управления, девятый выход которого соединен с третьим входом второго регистра сдвига и с седьмым входом четвертого регистра сдвига, восьмой вход которого подключен к второму выходу блока умножения, вход третьего регистра соединен с -десятым выходом блока управления, одиннадцатый выход которого подключен к первому входу пятого регистра, твТорой вход которого соединен с выходом первого элемента И, второй вход которого подключен к двенадцатому выходу блока управления, тринадцатый выход блока управления подключен к второму входу второго элемента И, к третьему входу пятого регистра и к входу четвертого регистра, четвертые входы первого и второго регистров объединены и подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход пусковой кнопки

соединен с вторым входом блока управления и через элемент задержки с пятым входом первого регистра.

вход триггера является первым входом блока, выход элемента И является первым выходом блока управления, а выходы элементов задержки подключены к выходам соответственно с второго по тринадцатый блоки управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

v