Устройство для решения задач планирования экспериментов Советский патент 1982 года по МПК G06F7/38 G06F17/00 

1

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для решения задач планирования экспериментов, Доводимых при исследовании сложных систем, а также для решения задач имитации исходной информации при проведении испытаний сложных систем в реальном масштабе времени.

Известно решение Т1одобнь1х задач на универсальных цифровых вычислительных машинах. При этом планирование экспериментов основано на использовании логических алгоритмов перебора различных значений исходных параметров, а также на решении оптимизационных задач. Использование уни версальных цифровых машин не всегда возможно из-за их высокой стоимости. Кроме того, решение подобных задач на универсальных ЭВМ требует значительных затрат времени и оперативной памяти,что не позволяет использовать их для решения задач подыгрыша исходной

информации при проведении испытаний различных систем в реальном масштабе времени 11 .

Известно устройство для решения задач перебора сочетаний, содержащее узел блокировки, триггер, элементы ИЛИ задержки и последовательно соединенные кольцевые счетчики с числом состояний, изменяющимся на единицу, и соответствующие связи 2.

Однаню это устройство имеет сложную конструкцию, а аппаратурные затраты на его реализацию пропорцио.. нальны количеству,элементов в сочетаниях. Кроме того, данное устройство не может быть использовано для решения задач планирования экспери ментов в случаях, когда хотя бы один из исходных параметров имеет более jg двух уровней варьирования 21.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, позволяющее решать задачи планирования экспериментов и содержащее два регистра, счетчик, триггер, два элемента задержки, два элемента И, распределитель импульсов 31. Известное устройство также, не позволяет решать задачу планирования экспериментов для случаев, когда хотя бы один из исходных параметров имеет более двух уровней варьирования. На практике часто приходится решать задачи планирования многоуровневых экспериментов, когда исходные параметры варьируются более, чем на двух уровнях. Математическая формулировка задач Пусть имеется множество парамет (в дальнейшем будем называть их фак торами) {....,3, которые являются входным для некоторой сложной системы и определяют ее состояния. Для каждого фактора задано количество уровней варьирова ния j , j У,к и множества значений, принимаемых факторами на их уровнях варьирования t bi i %li где значение, принимаемое фак тором 4j при установке его на уровне г 5TSJ. Планом эксперимента называется в ражение, которое позволяет устанавливать знамения для всех факторов в каждом опыте эксперимента и в общел случае может быть представлено матрицей вида (X),U1,N,, (in u-aK жыг- MK - количество опытов в экспе рименте; X.;EUj - значение, которому должен j быть равен фактор в 1-ом опыте эксперимента Вектор строка Vi Mfir- 411 (W| называется i-ой точкой плана эксперимента . Наиболее полную информацию об ис следуемой сложной системе можно пол чить путем проёедения полного факто .9 а ного эксперимента (ПФЭ).Полным факторным экспериментом называется эксперимент, в котором реализуются всевозможные сочетания уровней варьирования факторов. Количествр опытов в П)Э определяется как произведение -п„. ФЭ часто используются при исследовании сложных систем, особенно при проведении испытаний сложных систем, когда требуется проверить их работу во всевозможных режимах. При этом часто отсутствует возможность построения и хранения на некотором носителе информации сразу всего плана эксперимента Г13, поэтому необходимо определять значения для факторов в каждой очередной точке 2 плана эксперимеюЦель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет независимого планирования каждой точки плана многоуровневого полиого факторного эксперимента, а также повышение скорости решения задач . Поставленная цель достигается тем, что в устройство для решения задач планирования экспериментов, содержащее два регистра памяти, счет чик, введены блок памяти, два блока регистров памяти, генератор импульсов, группа ключей, два блока умножения, два блока деления, два блока округления чисел, блое вычитания, причем первый вход генератора, импульсов является первым входом устройства, выход генератора импульсов соединен с входом с.четчика и первыми входами группы ключей, первые входы первого блока регистров памяти и бло ка памяти соединены между собой, а также с первым выходом счетчика и входом второго блока регистров памяти второй выход счетчика соединен со вторым входом генератора импульсов, выход второго блока регистров памяти соединен с входом первого блока умножения, выход которого соединен со вторыми входами группы ключей и первыми входами второго блока умножения и первого блока деления, выход группы ключей соединен с входом первого регистра памяти, выход которого соединен с первым входом второго блока деления, выход второго регистра памяти соединен со вторым / входом первого блока деления и пер-; вым входом блока вычитания, выход первого блока деления соединен с входом первого блока округления чисел, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления, выход которо го соединен с входом второго блока округления чисел, выход которого со динен с вторым входом первого блока регистров памяти, выход которого соединен со вторым входом блока памяти, вход второго регистра памяти является вторым входом устройства. Новый алгоритм планирования многоуровневых полных факторных экспери ментов позволяет независимо друг от друга .задавать любую точку 12) плана полного факторного эксперимента. В соответствии с данным алгоритмом,, любой j й элемент i -ой точки плана эксперимента может быть определен следующим образом г,ё. .- Vj lномер уровня, на котором должен быть установлен фак тор j в -i -ом опыте зксперимента;- константы, определяемые для каждого фактора выра жениями vIVi-Xi i-A Е - целая часть отд . Доказана универсальность данного алгоритма для решения задач планирования полных факторных экспериментов , содержащих любое заданное количество факторов, каждый из которых варьируется на определенном количестве уровней. Блок-схема устройства приведена н чертеже. Устройство содержит генератор импульсов, первый вход которого явля ется входом устройства. Выход генера тора 1- импульсов соединен со входом счетчика 2 и первым входом групИы ключей 3. Счетчик 2 предназначен для подсчета количества факторов и може считать от 1 до К.Первый выход счетч ка 2 соединен с первыми входами .перв 86 го блока 4 регистров памяти и блока 5 памяти, а также с входом второго блока 6 регистров памяти, выход котог рого соединен с входом первого блока 7 умножения. Второй выход сметчияса 2 соединен со вторым входом генератора 1 импульсов. Блок 5 памяти и блоки регистров Ц 6 памяти представляют собой быстродействующую память. Первый блок k регистров памяти представляет собой матрицу регистров, количество строк которой равно К и соответствует числу факторов в планируемом эксперименте, а число столбцов тил г , Второй блок 6 рерзвно ns . ifii. jsU гистров памяти представляет собой набор К регистров, в каждом из которых записывается число, равное количеству уровней варьирования соответствующего фактора. Блок 5 памяти содержит К ячеек и предназначен для хранения значений факторов формируемой точки плана. Выход первого блока 7 умножения соединен со вторым входом группы ключей 3 и с первыми входами второго блока 8 умножения и первого блока 9 деления. Выход группы клю- . чей 3 соединен с входом первого регистра 10 памяти, выход которого соединен с первым входом второго блока 11 деления. Второй вход первого блока 9 деления соединен с выходом второго регистра 12 памяти и вторым входом блока 13 вычитания.Второй регистр 12 предназначен для хранения номера точки плана эксперимента, Выход первого блока 9 деления соединен с входом первого блока Н округления чисел, выход которого соединен со вторым входом второго блока В умножения. Выход второго блока 8 умножения соединен с первым входом . блока 13 вычитания, выход которого соединен со вторым входом второго блока 11 деления. Выход второго блока 1 1 деления соединен со входом второго блока 15 округления чисел, выход i которого соединен со вторым входом первого блока регистров памяти. Блоки Н и 15 округления представляют собой уалы арифметического устройства, с помощью которых производйтсй округление результатов опера- ций. Выход первого блока регистров памяти соединен со вторым входом блока 5 памяти. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы в каждый ре гистр первого блока регистров заносится информация об уровнях варьи рования факторов. При этом в Г -и регистр j -ой строки заносится значение j V I которое должен принимать фактор ф- на г -ом уровне варьирования. 8 каждый j -и регистр второго блока 6 регистров заносится величина nj , равная количеству уровней варьирования фактора Ф;. На выходной регистр первого блока 7 умножения заносится единица. Во второй регистр заносится величина i -1 , на единицу меньшая номера г.енерируемой точки плана эксперимента. Счет чик 2 и первый регистр 10 устанавливаются в ноль. Сигналом Пу.ск включаются генератор 1 импульсов, первый импульс с которого поступает на счетчик 2 и на группу ключей 3. При этом происхо диг копирование содержимого выходно го регистра первого блока 7 умножения на первый регистр 10, а к счетчи ку 2 добавляется единица, и происходит считывание содержимого первого регистра второго блока 6 регистров на вход первого блока 7 умножения, В первом блоке 7 умножения производится умножение предыдущего результата на Число nj, поступившее из второго блока 6 регистров. В результате в первом регистре формируется значение XJ+-1 , а на выходном регистре первого блока умножения значение Xj (В первом цикле i 1J . В первом блоке 9 деления происходит деление содержи мого второго регистра 12 на результа полученный в первом блоке 7 умножения Результат деления после выделения целой части числа в первом блоке Н округления чисел поступает на вход второго блока 8 умножения, где производится его перемножение с содержи мым выходного регистра первого блока 7 умножения. Результат, полученный во втором блоке 8 умножения, поступает на блок 13 вычитания, где вычита ется из содержимого второго регистра 12. После этого во BTOpojyt блоке 11 деления производится деление результата, полученного во втором блоке 13 вычитания, на содержание первого регистра 10. Результат деления через второй блок округления чисел, где осуществляется округление до ближайшего большего целого, поступает на вход первого блока регистров и служит для1 выбора нужного столбца fr) матрицы.. Одновременно на вход первого блока регистров со счетчика 2 поступает адрес строки ({) матрицы. В первом блоке регистров производится выборка содержимого Ujp регистра с указанным адресом. Результат-выборки поступает на вход блока -5 памяти, где записывается в соответствующую j-ю ячейку, определяемую содержимым счетчиком 2, которое также поступает на вход блока 5 памяти. ТаКИМ образом, закончено формирование первого элемента i -ой точки плана эксперимента. После этого генератор импульсов вырабатывает очередной импульс, который увеличивает содержимое счетчика 2 на единицу и тем самым начинается формирование второго элемента i -ой точки плана эксперимента, осуществляемое аналогично первому элементу. Признаком окончания работы является достижение содержимого счетчика 2 значения, равного К. Очередной сигнал с генератора 1 импульсов вызывает переполнение счетчика 2, а сигнал переполнения счетчика 2, в свою очередь, останавливает работу генератора 1 импульсов. После этого, устройство должно быть установлено в исходное состояние и ожидать поступления на второй регистр 12 номера очередной точки плана эксперимента. Технико-экономическая оценка эффективности предлагаемого устройства проводилась теоретически и методом матетического моделирования. Результаты теоретического расчета и математического моделирования показали, что изобретение позволяет решить задачу планирования экспериментов значительно эффективнее, чем при использовании известных алгоритмов на универсальных ЭВМ. Время решения таких задач на ЭВМ БЭСМ-6 не менве, чем в 100 раз больше, чем на предлагаемом устройстве, что позволяет планировать имитирующую информацию для систем, работающих в реальном масштабе времени. Наример, задача планирования эксперимента, включающего 20 факторов, каждый из которых изменяется на 6 уровнях, решается с помощью известных методов на ЭВМ БЭСМ-6 около 3 мин. Использование предлагаемого устройства п.озволяет решить эту задачу ме- . нее, чем за 100 . Формула изобретения Устройство для решения задач плаг нирования экспериментов, содержащее два регистра памяти, отличающееся тем, что, с целью расшире ния функциональных возможностей за счет независимого планирования каждой точки плана многоуровневого полного факторного Эксперимента, оно содержит блок памяти, два блока регистров памяти, генератор импульсов группу ключей,два блока умножения, два блока деления, два блока округления чисел, блок вычитания, примем первый -вход генератора импульсов является первым входом устройства, выход генератора импульсов соединен с входом счетчика и первыми входами группы ключей, первые входы первого блока регистров памяти и бпока памят соединены между собой, -а также с пер вым выходом счетчика и входом второго блока регистров памяти, выход которого соединен с входомперво ;го блока умножения, выход которого соединен со вторыми входами груп, пы ключей и первыми входами второго блока умножения и первого блока деления, второй выход счетчика соединен со вторым входом генератора импульсов, выход группы ключей соединен с входом первого регистра памяти, выход которого соединен с первым входом второго блока деления, выход второго регистра памяти соединей со вторым входом первого блока деления и первым входом блока вычитания, выход первого блока деления соединен с входом первого блока oKpyi- ления чисел, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения, выход которого соединен со входом блока вычитания,выход которого соединен ей вторым входом второго блока деления, выход которого соединен со входом второго блока округления чисел, выход которого соединен со вторым входом первого блока регистров памяти, выход которого соединен со вторым входом блока памяти, вход второго регистра памяти является вторым входом устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Хартман К., Лецкий Э,, Шефер В, Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов, М., изд. Мир, 1977, сЛ. 2.Авторское свидетельство СССР P 525100, кл. G 06 F 15/32, 1975 г. 3. Авторское свидетельство СССР № 63««2a5, кл. G Об FM5/32, 1976 г (прототип).