Результат интеллектуальной деятельности: Способ хранения и считывания аналоговых значений функций многих переменных

Изобретение относится к области управления в реальном масштабе времени сложными объектами и быстротекущими процессами. Технический результат - повышение быстродействия управления при снижении аппаратной избыточности и унификация структуры устройств считывания из запоминающего устройства значений функции управления, зависящей от множества параметров.

Известны многоканальные системы для регистрации физических величин [Авторское свидетельство СССР №1070581, кл. G06F 15/46,] содержащие усилители, аналого-цифровые преобразователи, блоки памяти, коммутатор каналов, блок управления и регистратор.

Принцип действия известных систем заключается в дискретизации исследуемых процессов, выборке исходных значений сигналов, преобразовании их в цифровой код и запоминании кодов в блоках памяти для восстановления впоследствии формы исследуемых сигналов или обработки полученных данных. Недостатком подобных систем является необходимость аналого-цифровых преобразований параметров объекта, снижающая быстродействие систем и значительная аппаратная сложность, не позволяющая реализовать их в одном устройстве.

Известен интервальный идентификатор [Патент на изобретение №2417434 G06G 7/25 (2006.01)], который построен с применением компараторов и электронных ключей. Выдает на выходе два значения функции в зависимости от принадлежности или непринадлежности сигнала интервалу.

Недостатком интервального идентификатора относительно заявленного изобретения является возможность идентификации функции только одним интервалом.

Наиболее близким по техническим результатам к заявленному изобретению является патент на реляторный позиционный идентификатор [Патент на изобретение №2117330 G06G 7/25 (2006.01)]. Выполняет позиционную идентификации аналогового сигнала в шкале ранжированных опорных напряжений. Идентификатор содержит аналоговые замыкающие ключи, дифференциальные компараторы напряжения и булевые логические элементы "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". Указанная операция является операцией позиционной идентификации аналогового сигнала х в шкале опорных напряжений x₁<x₂<…<x_n-1. На выходе устройства будет значение функции в выбранном интервале

Недостатком процессора для адресно-ранговой идентификации и селекции аналоговых сигналов является ограничение его функциональных возможностей селекцией функций, зависящих от одной переменной. Технический результат заявленного способа и устройства для его реализации:

- позиционная идентификация аналогового сигнала функции многих переменных F(x₁, x₂, …, x_N) в шкале опорных напряжений аргументов функции при i=1…n;

- повышение быстродействия устройств считывания аналоговых значений функций многих переменных;

- унификация структуры устройства при варьировании количества аргументов функции;

- упорядочивание передачи считанных значений функции на выход устройства.

Технический результат в предлагаемом способе хранения и считывания аналоговых значений функций N переменных достигается тем, что значения аргументов x₁, x₂,…,x_N функции F(x₁, x₂, …, x_N) фиксируют в множестве точек области определения функции и хранят в ячейках блоков памяти устройства, при этом каждый аргумент x_i принимает K значений , …, , при записи фиксированных значений аргумента x_i в ячейки памяти их ранжируют так, что , где i - номер блока памяти, а верхний индекс - номер ячейки памяти в блоке, значения функции F записывают в K^N ячеек памяти, порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации фиксированных значений аргументов , в ячейку с номером n записывают значение функции верхние индексы значений аргументов которой рассчитывают по формулам: составляют множество кортежей Θ из фиксированных значений аргументов и функций, для каждой n-й ячейки записи функции и связанной с ней комбинации аргументов образуют кортеж с номером n, для считывания значений функции на N входов устройства подают аналоговые сигналы с текущими значениями аргументов для каждого текущего значения в i-м блоке памяти находят соседние интервальные значения аргументов для которых и , найденный набор значений аргументов на краях интервалов используют для определения сигнальных значений функции F в вершинах N-куба, образованного полным перебором 2^N значений аргументов из множества X_minmax={x_1min, x_2min, …, x_Nmim, x_1max, x_2max, …, x_Nmax} на краях найденных интервалов, для этого выполняют проверку всех кортежей на принадлежность N-кубу, начиная с n=1 до n=K^N, найденные кортежи N-куба нумеруют в порядке размещения исходных кортежей в памяти и присваивают значениям функции номера j от 1 до 2^N, значение функции F_n n-го кортежа относят к j-й вершине N-куба и присваивают номер j, F^j=F_n, если все значения аргументов при i=1,2,…,N и для любой вершины N-куба при существует кортеж у которого m<n и при i=1,2,…,N, сигнальное значение функции F¹ из первого найденного кортежа передают на первый выход устройства, сигнальное значение функции F^j из j-го найденного кортежа передают на j-й выход устройства.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что устройство содержит (Фиг. 1): запоминающее устройство (ЗУ) 1 для хранения исходных значений аргументов, ЗУ 2 для хранения значений функции, блок выбора кортежей 3, блок выбора исходных значений аргументов 4, N шин 5 передачи наборов фиксированных значений аргументов, каждая шина 5 передачи наборов значений аргументов содержит K линий передачи значений аргументов, блок считывания значений функции 6, ЗУ 1 для хранения значений аргументов содержит N блоков 7 для хранения исходных значений аргументов, каждый блок 7 хранения исходных значений аргументов состоит из K ячеек памяти, ЗУ 2 для хранения фиксированных значений функции содержит K^N ячеек 8, блок выбора кортежей 3 содержит K^N функциональных узлов выбора кортежей (ФУВК) 9, блок выбора исходных значений аргументов 4 содержит N функциональных узлов выбора значений аргументов (ФУВЗА) 10, информационный вход 10₁ i-го ФУВЗА подключен к i-му входу устройства, j-я ячейка i-го блока хранения исходных значений аргументов 7 ЗУ 1 подключена к j-й линии передачи i-й шины, линии передачи i-й шины 5 передачи наборов значений аргументов подключены к группе входов 10₂ для ввода исходных значений аргументов i-го ФУВЗА 10, первый контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9₁ m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи первой шины 5, где скобки [] означают операцию деления нацело без остатка, % означает операцию нахождение остатка от деления нацело, n-й контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9₁ m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи i-й шины 5, где , первый выход i-го ФУВЗА 10 подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК 9, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК 9, выход i-го ФУВК 9 подключен к i-му входу 6₁ ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6, i-я ячейка 8 ЗУ 2 подключена к i-му входу 6₂ ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6, блок считывания значений функции 6 содержит 2^N⋅K^N функциональных узлов считывания значений функции (ФУСЗФ)11 (фиг. 2), которые расположены в K^N рядах, в каждом ряде расположено 2^N ФУСЗФ, i-й вход 6₁ ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6 подключен к первому управляющему входу 11₁ ФУСЗФ i-го ряда, i-й вход 6₂ ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6 подключен к информационному входу 11₂ ФУСЗФ i-го ряда, информационные выходы 11₃ j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к j-му выходу 6₃ блока считывания значений функции 6, второй управляющий вход 11₄ j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к первому управляющему выходу 11₅ (j-1)-го ФУСЗФ того же ряда, второй управляющий выход 11₆ j-го ФУСЗФ i-го ряда подключены к третьему управляющему входу 11₇ j-го ФУСЗФ (i+1)-го ряда, j-й выход 6₃ блока считывания значений функции 6 подключены к j-му выходу устройства.

Рассмотрим работу устройства. Пусть N - количество аргументов функции, K - количество фиксированных значений одного аргумента функции, записанных в ЗУ 1 (фиг. 1). (Для удобства обозначений без потери общности объяснения работы способа и устройства допустим, что количество исходных фиксированных значений всех аргументов одинаково и равно K). Тогда в памяти устройства должно храниться K^N значений функции многих переменных F, полученных по результатам экспериментальных или теоретических исследований.

Исходные значения аргументов записываются в ЗУ 1. В j-й ячейке i-ого блока 7 ЗУ 1 хранится значение аргумента При записи аргументов в ячейки ЗУ 1 их значения ранжируются так, что где верхний индекс соответствует одновременно номеру ячейки в i-м блоке 7 ЗУ 1. Ячейки блоков 7 ЗУ 1 подключены к линиям передачи шин 5. j-я ячейка i-го блока содержит исходное значение аргумента и подключена к j-й линии передачи i-й шины. Аналоговые значения аргументов из ячеек блоков 7 ЗУ 1 по линиям передачи шин подаются на ФУВК 9 и ФУВЗА 10.

По линиям передачи шины 5 значения аргументов из ЗУ 1 передаются в блок выбора исходных значений аргументов 4, который содержит N ФУВЗА 10. На входы i-го ФУВЗА 10 по i-ой шине 5 передаются K исходных фиксированных значений аргумента x_i: .

В блоке выбора кортежей 3 расположены K^N ФУВК 9, каждый из которых идентифицирует набор исходных фиксированных значений аргументов подаваемых на группу входов 9₁.

Порядок подключения линий передачи шин 5 к группам входов 9₁ ФУВК 9 блока выбора кортежей 9 определяется правилами:

1) к группе входов 9₁ n-го ФУВК подключен набор исходных фиксированных значений аргументов ,

2) нижние индексы набора аргументов соответствуют номеру шины 5 и определяют номер входа в группе 9₁,

3) верхние индексы аргументов определяют номер линии передачи соответствующей аргументу шины 5 и рассчитывают по формулам:

Исходные фиксированные значения функции F записывают в K^N ячеек памяти ЗУ 2. Порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации аргументов . В ячейку с номером n записывают значение функции верхние индексы аргументов которой рассчитывают по формулам (1). Таким образом, для каждой n-й ячейки записи функции F_n и связанной с ней комбинацией аргументов , подаваемой на n-й ФУВК, образуется кортеж с номером n, где Θ - множество из K^N кортежей.

При подаче на информационные входы 10₁ устройства аналоговых сигналов с текущими значениями аргументов х₁, х₂, …, x_N для каждого текущего значения x_i в i-м ФУВЗА 10 из i-го блока памяти 7 ЗУ 1 выбирают два соседних последовательных значения аргументов x_imin и x_imax из исходных фиксированных значений для которых x_i≥x_imin и x_i<x_imax. Найденные значения x_imin, x_imax поступают на первый и второй выходы i-го ФУВЗА 10. Выходы всех ФУВЗА 10 подключены к группам входов 9₂ ФУВК 9. Первый выход i-го ФУВЗА подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9₂ каждого ФУВК. В результате на группы входов каждого ФУВК поступает множество значений аргументов X_minmax={x_1min, x_2min, …, x_Nmin, x_1max, x_2max, …, x_Nmax}. n-й ФУВК Сравнивает множество значений X_minmax с значениями, поступающими на группу входов 9₁, проверяя условие:

где k_i вычисляется по формулам (1).

При выполнении условия (2) на выходе n-го ФУВК формируется сигнал логической единицы, который передается на n-й вход группы входов 6₁ блока считывания значений функции 6. В результате на логические единицы будут присутствовать на 2^N входов 6₁ блока 6. На остальных входах будет логический ноль. Логическая единица на n-м входе группы входов 6₁ блока 6 указывает на принадлежность фиксированного исходного значения функции F_n вершине N-куба. При этом фиксированное исходное значение функции F_n будет передано на один из выходов 6₃ блока 6.

Значение функции F_n передается на j-й выход блока 6 (F^j=F_n), если на n-м входе группы входов 6₁ будет логическая единица и на для любого выхода блока 6 при существует фиксированное исходное значение функции F_m при m<n, для которого на m-м входе группы входов 6₁ будет логическая единица. Данное правило передачи значений функции F из ЗУ 2 на выходы 6₃ блока 6 позволяет получить на выходе устройства 2^N значений функции в вершинах N-куба, внутри которого находится точка с текущими значениями аргументов х₁, х₂, …, x_N. Это позволяет выполнять позиционную идентификацию множества из N аналоговых сигналов в шкале ранжированных их опорных напряжений.

Применение в блоке 6 представленного выше правила позволяет упорядочить передачу на выходы устройства значений функции F в вершинах N-куба. На j-й выход подается значение , где

,

i- номер параметра х (изменяется от 1 до N).

ФУСЗФ, ФУВК и ФУВЗА реализуются на аналоговых схемах, содержащих компараторы, схемы совпадения, управляемые ключи, логические схемы, схемы аналоговых вычислений, ситуационные процессоры [Патент 2541850 МПК G06G 7/25]. Ячейки памяти ЗУ 1 и 2 могут быть выполнены в виде делителей напряжения, регулировкой которых задаются соответствующие значения переменных и функции, или в виде цифровой памяти, для которой потребуется аналого-цифровые преобразователи. Ограничения на количество обрабатываемых параметров определяется применяемой в устройстве элементной базой. Предлагаемый способ и устройство ориентированы на интегральное исполнение, при котором габариты устройства позволят реализовывать хранение и считывание функций многих переменных. Время считывания значений функции определяется скоростью переключения электронных ключей в ФУВЗФ и ФУВЗА и не превышает нескольких микросекунд, что позволяет применять патентуемое устройство в системах управления быстротекущими процессами в реальном масштабе времени.

Использование данного изобретения позволит унифицировать структуру устройств хранения и считывания аналоговых значений функций и снизить время считывания значений функции многих переменных.