АДАПТИВНОЕ ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ И ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов, повышения качества и точности управления в цифровых системах контроля и наведения различных (в т.ч. баллистических) объектов.

Известно цифровое прогнозирующее и дифференцирующее устройство (патент РФ №2450343, МПК G06F 17/17, 10.02.2012, бюл. №13), содержащий блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов и два субблока расчета первой производной в (n-1)-й и (n-2)-й расчетных точках предыстории входного сглаженного процесса. Устройство функционально ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, адаптивное цифровое прогнозирующее устройство (патент РФ №2451328, МПК G06F 15/00, 20.05.2012, бюл. №14), содержащий блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов, два субблока расчета второй производной в (n-1)-й и (n-2)-й расчетных точках предыстории входного процесса и блок адаптации. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и малую точность прогноза на динамических режимах.

На практике, по характеру изменения во времени дискретные случайные процессы (СП) можно разделить на два вида (режима): установившийся (стационарный) и переходный (в дальнейшем «динамика»). Первый характеризуется установившейся скоростью медианы (детерминированной основы) СП, второй имеет нелинейный характер и занимает относительно небольшое время перехода медианы СП на новую установившуюся скорость. Спектр изменения режима по скорости может занимать достаточно большой диапазон: от медленно меняющегося до высоких скоростей. На последних в аналогах и прототипе блок сглаживания, реализующий сигнатурный оператор сглаживания осуществляет скачкообразный («лесенкой») рост выходных дискрет СП (особенно, с малой дисперсией). Такие скачки могут привести к сбою работы последующих элементов систем управления и, возможно, выходу из строя исполнительных механизмов.

Аналитические операторы прогноза в прототипе рассчитываются по 4-м точкам (у_п, у_п-1, у_п-2, у_п-3) 3-х уровневого буфера предыстории входного сглаженного СП. С начала динамики (переходом на другую скорость медианы СП) новая (свежая) информация (у_п) поступает только на 1-й уровень буфера предыстории, на 2-х других (у_п-1, у_п-2, у_п-3) сохраняются данные старого режима: естественно, получаемые текущие дискреты прогноза существенно отличаются от реалий и не могут быть использованы. В аналогах и прототипе по этой причине прогноз вообще отключается и восстанавливается по мере заполнения буферов всех уровней предыстории данными нового стационарного режима. Переменная величина прогноза нетехнологична и делает невозможным его использование по прямому назначению (например, последующий расчет упреждения и, соответственно, гарантированное уничтожение цели).

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в следующем:

а) замена блока сглаживания на сглаживающее устройство с линейной (а не скачкообразной) выходной характеристикой;

б) сохранение постоянного значения заданного времени (глубины) прогноза на всех режимах (стационарных и динамике);

в) устранение дуальности блока прогноза путем суммирования и усреднения квадратичной и линейной составляющих его выходов, приняв за основу концепцию линейной аппроксимации медианы входного СП, а квадратичную составляющую считать корректирующим элементом при усреднении.

Поэтому, в адаптивном цифровом сглаживающем и прогнозирующем устройстве, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства; блок прогноза, содержащий первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых содержит буфер регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор, субблок расчета квадратичного прогноза, содержащий три сумматора и инвертор, причем выход третьего сумматора является выходом субблока, субблок расчета линейного прогноза из одного сумматора, выходные шины которого монтажно сдвинуты (вправо) на один разряд в сторону младших разрядов и являются выходом субблока, узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр ввода уставки времени прогноза, вход которого является первым управляющим входом устройства, задающим интервал прогноза, субблок расчета первой производной, в состав которого входят три сумматора, выход последнего является выходом субблока с кодом первой производной (у'_n-1) во второй (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории входного процесса, узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига, для решения поставленной задачи в блок сглаживания введены регистр и мультиплексор, выходы каждого m=1, 2, 4, 8, 16 и 32 канала блока заведены на информационные входы мультиплексора, адресный вход, которого подключен к выходу регистра, вход последнего подсоединен к второму управляющему входу устройства для задания степени (эффективности) сглаживания k=0, 1, 2, 3, 4 или 5 (m=2^k), а выход (y_п) мультиплексора заведен на вход первого вычитателя блока прогноза; в узел управления динамикой прогноза введены инвертор, счетчик и мультиплексор, причем выходные шины регистра ввода уставки времени прогноза подключены, непосредственно, к первому входу мультиплексора, монтажно сдвинутые вправо на три разряда - к второму входу мультиплексора и, монтажно сдвинутые влево на один разряд, через инвертор - к входу счетчика, выход мультиплексора соединен с адресными входами мультиплексоров всех трех вычитателей; в блок прогноза введены: сумматор усреднения дискрет выходов субблоков квадратичного и линейного прогнозов, выходные шины которого монтажно сдвинуты вправо на один разряд; схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая четыре сумматора, инвертор и мультиплексор, причем на входы первого сумматора заведены выходы сумматора усреднения и инвертора третьего вычитателя, выходные шины первого сумматора, монтажно сдвинутые влево на один разряд, подключены к первому входу второго сумматора, монтажно сдвинутые вправо на один разряд - к второму входу этого сумматора и, монтажно сдвинутые вправо на два разряда - к первому входу третьего сумматора, на второй вход которого через инвертор заведен выход инвертора третьего вычитателя, выходы второго и третьего сумматоров подсоединены к соответствующим входам четвертого сумматора, выход которого подключен к первому информационному входу мультиплексора, второй информационный вход которого соединен с выходом сумматора усреднения, а выход мультиплексора схемы является информационным выходом устройства; субблок подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему формирования абсолютного значения первой производной , два последовательно соединенных регистров хранения текущей и предыдущей дискреты скорости процесса, два параллельных канала (на рост и снижение) подсчета приращения скорости процесса, в состав каждого из которых входят компаратор, два элемента И и четырехразрядный счетчик, причем выход компаратора в каждом канале подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого - тактовый, выход первого элемента И заведен на счетный вход счетчика и на шину сброса в «0» счетчика приращений другого канала, выход четвертого разряда счетчика подсоединен к первому входу второго элемента И, второй вход которого - тактовый, выходы вторых элементов И обоих каналов подключены к входам элемента ИЛИ, выход последнего заведен на вход установки в «1» триггера режима и на шину записи счетчика узла управления динамикой прогноза, а выход прямого переноса этого счетчика соединен с шиной сброса в «0» триггера, прямой («1») выход которого подключен к адресным входам мультиплексоров узла управления динамикой и схемы коррекции кода прогноза на динамике, выход субблока расчета первой производной через схему формирования ее абсолютного значения заведен на вход первого регистра субблока подсчета приращений, а выходы обоих регистров подключены, соответственно, к входам компараторов обоих каналов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема одного канала блока сглаживания; на фиг. 3 - блок-схема узла тактирования блока прогноза; на фиг. 4 - схема формирования абсолютного значения скорости СП; на фиг. 5 - графическая интерпретация вывода формулы коррекции кода прогноза на динамике; на фиг. 6 - метрологическая характеристика блока сглаживания на m=64 канала; приложение (на 5-ти листах) - результаты моделирования работы устройства на ЭВМ при обработке нестационарного случайного процесса.

Известны формулы операторов прогноза, полученные аналитически с помощью аппроксимирующих многочленов по четырем точкам (ординатам) буферов предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М., «ИЛ», 1951, стр. 212), по аппроксимирующему многочлену второй степени (квадратичному):

первой степени (линейному):

Кроме того, известны формулы численного дифференцирования для равноотстоящих точек, выраженные через значения функции в этих точках (Демидович Б.П. и Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., «ФМ», 1960, гл. XV, § 4, стр. 573), в частности, для четырех точек имеем:

где y_п - первая (текущая) расчетная точка (ордината);

y_п-1, y_п-2, y_п-3 - соответственно, вторая, третья и четвертая расчетные точки (ординаты) трехуровневого буфера хранения предыстории входной сглаженной дискретной последовательности. В численном анализе - это система равноотстоящих точек с шагом h, в реальном масштабе времени Н=h - это время (глубина) прогноза, причем период хранения текущей информации в буферах памяти предыстории составляет три интервала прогноза B_t=3h.

По аналогии с методами исчисления конечных разностей для численного дифференцирования и экстраполяции обозначим:

Δy₁=(2y_п-y_п-1) - как биразность первого уровня предыстории входной дискретной последовательности, т.е. разность между удвоенной текущей и предыдущей ординатой процесса;

Δy₂=(2y_п-1-y_п-2) - биразность второго уровня предыстории;

Δy₃=(2y_п-1-y_п-3) - биразность третьего уровня предыстории. После преобразования уравнений (1), (2) и (3) с целью упрощения и с учетом биразностей получим следующие эмпирические выражения для формул численного дифференцирования и операторов квадратичного и линейного прогнозов:

Предлагаемое устройство реализует операторы прогноза и дифференцирования по формулам (4), (5) и (6), причем основными элементами схемы являются сумматор и блок инверторов, а умножение коэффициентов на слагаемые выполняются соответствующими монтажными сдвигами шин последних при вводе в сумматор. Такие операции на блок-схеме (см. фиг. 1) обозначены кружочком.

Устройство содержит (см. фиг. 1) блок сглаживания 1, состоящий из многоканального цифрового сглаживающего устройства 2 на m=32 последовательно соединенных канала (см. авт. св. СССР №686034, кл. G06F 15/32, 1979 и №748417, 1980), регистра 3 задания степени сглаживания (к) и мультиплексора 4; блок прогноза, содержащий три последовательно соединенных вычитателя 5, 6, и 7, каждый из которых включает в себя буфер регистровой памяти 8 из (А) последовательно соединенных регистров 9, мультиплексор 10, блок инверторов 11 (в предположении, что мультиплексор не имеет инверсных выходов) и сумматор 12; субблок 13 расчета квадратичного прогноза, содержащий блок инверторов 14, первый 15, второй 16 и третий 17 сумматоры, выход последнего является выходом субблока; субблок 18 расчета линейного прогноза из сумматора 19, шины выхода которого монтажно сдвинутые на один разряд вправо (в сторону младших разрядов) являются выходом субблока; сумматор 20 усреднения выходов обоих субблоков прогноза 13 и 18; субблок расчета первой производной в состав которого входят первый 22, второй 23 и третий 24 сумматоры, на выходе последнего устанавливается код оценки первой производной процесса в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории; субблок 25 подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему 26 формирования абсолютного значения скорости , включающей в себя (см. фиг. 4) мультиплексор 27 и инвертор 28, последовательно соединенные регистры 29 и 30 (формирующие буфер предыстории приращений скорости процесса), два компаратора 31 и 32, два элемента И 33 и 34, два 4-х разрядных счетчика 35 и 36 приращений скорости процесса (роста и снижения), два элемента И 37 и 38, элемент ИЛИ 39 и триггер режима 40 (ТГ); узел 41 управления динамикой прогноза, содержащий регистр 42 ввода уставки времени прогноза, вход 43 которого является первым управляющим входом устройства, через который вводится время прогноза h=AT, где T - цикл работы устройства, A - количество (макс, адрес) регистров 9 в буфере 8 предыстории процесса, инвертор 44, счетчик 45 продолжительности (2h) работы блока прогноза на динамике и мультиплексор 46; второй управляющий вход 47 ввода степени сглаживания (к) СП, информационный (x_n) 48 и тактирующий (f_T) 49 входы устройства; канал 50 (см. фиг. 2) сглаживающего устройства 2 состоит из сумматора 51 и регистра 52; узел 53 тактирования блока прогноза (см. фиг. 3) содержит элемент задержки 54, триггер 55, генератор импульсов 56 (f_г), элемент И 57 и регистр сдвига 58; схема 59 коррекции кода прогноза на динамике содержит четыре сумматора 60, 61, 62, и 63, инвертор 64 и мультиплексор 65, выход которого является выходом 66 устройства.

Если в прототипе и аналогах для определения момента перехода стационарного режима на динамику используется алгоритм фиксации серии из 8-ми отклонений от медианы процесса одного знака подряд, то в предложенном устройстве (ввиду отсутствия блока сглаживания, работающего с отклонениями) для этой же цели введен субблок 25 подсчета приращений скорости процесса, в котором тоже фиксируется серия но из 8-ми подряд приращений роста (или снижения) скорости процесса.

Приращение - это результат сравнения на каждом такте текущего и предыдущего значения первой производной процесса в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории. С переходом на динамику (ТГ=1) устройство начинает работать не с полным (h), а усеченным в 8 раз буфером предыстории, т.е. в расчете кода прогноза участвуют только текущие («свежие») дискреты входного процесса, соответственно, получаемый код прогноза дает точную картину изменения (роста или снижения) входного процесса на динамике, но только для уменьшенного в 8 раз времени (глубины) прогноза h_k=h/8 (условно, его можно назвать технологическим).

Для приведения кода прогноза на динамике к заданному интервалу h в устройство введена схема 59 коррекции кода прогноза. Графическая интерпретация алгоритма работы этой схемы, опирающегося на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса представлена на фиг. 5.

Пусть - корректирующая разность прогноза на динамике, h_k=h/8, h=8h_k, ΔR₁=Y^d_n+1-Y^k_n-3, тогда в соответствии с известными соотношениями сторон в подобных треугольниках имеем:

Уравнение (7) реализовано в предложенном устройстве в схеме 59 коррекции кода прогноза на динамике для заданного времени (глубины) прогноза h.

Цикл работы устройства состоит из двух тактов. В первом - завершает работу блок сглаживания 1, каждый канал которого реализует оператор экспоненциального сглаживания . Эффективность сглаживания (см. фиг. 6) выбирается заданием со входа 47 степени k=0, 1, 2, 3, 4 или 5, которая в свою очередь определяет число задействованных каналов сглаживания m=2^k (1, 2, 4, 8, 16 или 32).

Во втором такте узел тактирования 53 первой серией минитактов ("a", "b", "c") инициирует работу трех вычитателей 5, 6, и 7, субблоков 13, 18, и 21 расчета по формулам (6), (4) и (5) первой производной, квадратичной и линейной составляющих расчета блока прогноза. Сумма кодов последних усредняется Y_n+1=Y_n+1[SR]=(Y_n+1[KB4]+Y_n+1[ЛН4])/2 в сумматоре 20 и выдается через мультиплексор 65 на выход устройства 66 только на стационарном режиме (ТГ=0).

Вторая серия минитактов ("d", "е", "f") формирует работу субблока 25 подсчета приращений скорости процесса. Субблок предназначен для переключения стационарного (ТГ=0) режима на динамику (ТГ=1).

Тактовым сигналом ("d") в регистр 30 из регистра 29 переписывается предыдущая , а в последний - текущая дискрета абсолютного значения скорости процесса. Субблок можно разделить на два параллельных канала подсчета количества приращений скорости процесса: падающей и возрастающей. Рассмотрим работу последнего: при положительном соотношении в компараторе 31 тактовый сигнал ("e") поступает на счетный вход счетчика приращений 35 и одновременно сбрасывает в «0» счетчик 36 другого канала. Поступление на счетчик 35 подряд N_d=8 и более импульсов означает, что процесс из стационарного перешел на динамику (переходный). Высокий уровень («1») выхода 4-го разряда счетчика 35 разрешает сигналу ("f") установить триггер режима 40 в «1» (ТГ=1) и переписать из регистра 42 в счетчик 45 узла 41 управления динамикой в инверсном коде количество тактов (2h), т.е. время работы устройства на динамическом режиме. Прямой выход («1») триггера 40 разрешает выдачу кода прогноза Y^d_n+1 на динамике (уже соответствующему заданному времени прогноза h) с сумматора 63 схемы коррекции 59 кода прогноза на динамике через мультиплексор 65 на выход устройства 66 и переключает мультиплексор 46 узла 41 управления динамикой на работу блока прогноза только с 1/8 частью буфера предыстории процесса, соответственно, с h_k=h/8 (технологическим) интервалом (временем) прогноза.

Переход устройства с динамики на стационарный режим осуществляется сбросом в «0» триггера режима (ТГ=0) импульсом прямого переноса счетчика 45 узла управления 41, т.е. только после заполнения на 66% (2h) буфера предыстории процесса новой информацией на новом режиме.

Соответственно, мультиплексоры 46 и 65 переключаются на выдачу в буфер предыстории заданного интервала (времени) h, а на выход устройства аналитического кода прогноза Y_n+1.

В приложении приведены результаты моделирования работы устройства. Колонка №6:

Колонка №8: