Результат интеллектуальной деятельности: АДАПТИВНОЕ ЦИФРОВОЕ 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 сглаживающее и прогнозирующее устройство (патент РФ №2626338, МПК G06F 15/00, 26.07.2017, бюл. №21), содержащий блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, два субблока квадратичного и линейного прогнозов, субблок расчета первой призводной в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории входного процесса, схему коррекции кода прогноза и узел управления динамикой прогноза. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и функционально ограничен.

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 скорости медианы СП может занимать достаточно большой диапазон: от медленно меняющейся до высоких скоростей (почти скачка).

В прототипе, как и в аналогах, реализовано наилучшее приближение аналитических операторов квадратичного и линейного прогнозов на базе аппроксимирующих многочленов по 4-м точкам (ординатам) трехуровнего буфера хранения предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов, причем временной интервал (глубина) прогноза h составляет одну треть от времени (B_t) хранения ординат в буферах памяти предыстории B_t=3h. Например, прогноз на Н=h=10 сек., требует сохранения информации о процессе в буфере памяти предыстории на период B_t=3h=30 сек., причем с началом 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 и идут в расчет данные старого режима: естественно, получаемые текущие дискреты прогноза за этот период существенно отличаются от реалий и не могут быть использованы. Прогноз можно считать уже достоверным только после заполнения буфера предыстории по меньшей мере на две трети (2h) информацией от нового установившегося режима.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей путем увеличения реального времени (глубины) прогноза в два раза при том же объеме буфера памяти предыстории, без какого-либо существенного ущерба для точности прогноза, т.е. (см. пример выше) теперь при задании нового удвоенного реального времени прогноза Н=2h=20 сек. время хранения информации и объем памяти буферов предыстории останется без изменений B_t=3h=30 сек., а не B_t=3Н=60 сек. в соответствии с аналитическими формулами расчета прогноза, причем удвоение времени прогноза должно производиться не только на стационарном режиме, но и на динамике.

Поэтому, в адаптивном цифровом прогнозирующем устройстве, в состав, которого входят блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, причем вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства, 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 (у_п) мультиплексора заведен на вход первого вычитателя блока прогноза, и блок прогноза, содержащий первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых включает в себя буфер регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор; субблок расчета квадратичного прогноза, содержащий три сумматора и инвертор, 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, 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; субблок расчета первой производной, в состав которого входят три сумматора, выход последнего является выходом субблока с кодом первой производной (у'_n-1) в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории входного процесса; узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига; сумматор усреднения дискрет выходов субблоков квадратичного и линейного прогнозов; схему коррекции кода прогноза на динамике, содержащую четыре сумматора, и мультиплексор; субблок подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему формирования абсолютного значения первой производной (у'_n-1), два последовательно соединенных регистров хранения текущей у''_n-1[(wT)] и предыдущей у'_n-1[(w-1)T)] дискрет скорости процесса, два параллельных канала (на рост и снижение) подсчета приращений скорости процесса, в состав каждого из которых входят компаратор, два элемента И и четырехразрядный счетчик приращений, элемент ИЛИ и триггер режима, причем выход первого элемента И в каждом канале подключен к счетному входу счетчика и на шину сброса в «0» счетчика другого канала, выход элемента ИЛИ 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, для решения поставленной задачи в схеме коррекции кода прогноза на динамике шины первого входа первого сумматора, монтажно сдвинутые вправо на один разряд (в сторону младших разрядов), подключены к выходу сумматора усреднения, второй вход первого сумматора соединен с выходом инвертора третьего вычитателя, выходные шины первого сумматора, монтажно сдвинутые вправо на один разряд, и монтажно сдвинутые влево на два разряда, подключены, соответственно, к первому и второму входам второго сумматора, выход которого заведен на второй вход третьего сумматора, первый вход которого подсоединен к, монтажно сдвинутым на два разряда вправо, выходным шинам первого сумматора, выход третьего сумматора подключен к первому входу четвертого сумматора, второй вход которого заведен на выход мультиплексора третьего вычитателя, выход четвертого сумматора подключен к первому информационному входу мультиплексора схемы коррекции кода прогноза, кроме того, в блок прогноза введен дополнительный субблок коррекции кода прогноза на стационарном режиме из одного сумматора, первый вход которого соединен с мотажно сдвинутыми вправо на один разряд выходными шинами сумматора усреднения, второй вход сумматора дополнительного субблока подключен к монтажно сдвинутыми на два разряда вправо выходным шинам первого сумматора схемы коррекции кода прогноза на динамике, выход сумматора субблока заведен на второй информационный вход мультиплексора схемы коррекции, а выход мультиплексора является выходом устройства.

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 формул коррекции кода прогноза на стационарном режиме и на динамике; приложение (таблица на 3-х 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) буфера предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М., «ИЛ», 1951, стр. 212), в частности, 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 у_п - первая (текущая) расчетная точка (ордината);

у_п-1, у_п-2, у_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 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:

Δу₁=(2у_п-у_п-1) - как биразность первого уровня предыстории входной дискретной последовательности, т.е. разность между удвоенной текущей и предыдущей ординатой процесса;

Δу₂=(2у_п-1-у_п-2) - биразность второго уровня предыстории;

Δу₃=(2у_п-1-у_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, и 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 21 (у'_n-1), 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 (у'_n-1), 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 виртуальной уставки времени прогноза, вход 43 которого является первым управляющим входом устройства, через который вводится виртуальное время прогноза h=AT, где Т - цикл работы устройства, А - количество (макс, адрес) регистров 9 в буфере 8 предыстории процесса (Н=2h - реальное время прогноза), 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, 63 и мультиплексор 64, выход которого является выходом 65 устройства, дополнительный субблок 66 коррекции кода прогноза на стационарном режиме из сумматора 67.

Для определения момента перехода со стационарного режима на динамику используется субблок 25 подсчета приращений скорости процесса, в котором фиксируется серия 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 (3h), 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). Эту операцию усечения буфера аналитически можно принять за кусочную линеаризацию нелинейного (квадратичного) изменения медианы процесса (МП) на динамике и считать обоснованием (постулатом) в последующем ниже выводе формуле коррекции МП при удвоении времени прогноза на динамике.

Приведение кода прогноза на динамике к увеличенному в два раза интервалу (глубине) прогноза H=2h реализовано в схеме 59 коррекции кода прогноза. Графическая интерпретация алгоритма работы этой схемы, опирающаяся на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса представлена на фиг. 5.

Пусть ΔK=(Y^k_n+1-Y^k_n-3) - корректирующая разность прогноза на динамике, h_k=h/8, h=8h_k, ΔR2=Y^d_n+2-Y^k_n-3, тогда, в соответствии с известными соотношениями сторон в подобных треугольниках, имеем:

Стационарный режим отличается установившейся или медленно меняющейся скоростью МП: квадратичная и линейная составляющие прогноза почти совпадают, а их усреднение в сумматоре 20 делает эту оценку более достоверной. Для приведения кода прогноза на стационарном режиме к увеличенному в два раза интервалу прогноза H=2h в устройство введен дополнительный субблок 66 коррекции кода прогноза. Графическая интерпретация алгоритма работы этого субблока представлена на фиг. 5, где Δ1=(Y_n+1-Y_n-3) и Δ2=(Y_n+2-Y_n.₃) - корректирующие разности прогноза на стационарном режиме, тогда по известным соотношениям в подобных треугольниках имеем:

Уравнение (8) реализовано в предложенном устройстве в дополнительном субблоке 66 коррекции кода прогноза на стационарном режиме для увеличенного в два раза времени (глубины) прогноза H=2h.

Цикл работы устройства состоит из двух тактов. В первом - завершает работу блок сглаживания 1, каждый канал которого реализует оператор экспоненциального сглаживания . Эффективность сглаживания 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 ("а", "b", "с") 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 блока прогноза. Сумма кодов последних усредняется Y_n+1=Y_n+1[SR]=(Y_n+1[КВ4]+Y_n+1[ЛН])/2 в сумматоре 20 и выдается в дополнительный субблок 66 и схему 59 коррекции кода прогноза. 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 у'_n-1[(w-1)T], а в последний - текущая у'_n-1[wT] 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 А>В (у'_n-1[wT]>у'_n-1[(w-1)T]) в компараторе 31 тактовый сигнал ("е") 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 режима перешел на динамику. 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+2 на динамике (уже соответствующему увеличенному времени прогноза 2h) с сумматора 63 схемы коррекции 59 кода прогноза на динамике через мультиплексор 64 на выход устройства 65 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, мультиплексор 46 переключается на выдачу в буфер предыстории заданного (виртуального) интервала времени h, а мультиплексор 64 - на выход устройства скорректированного кода прогноза Y_n+2 для удвоенного времени прогноза H=2h.

В таблицах приложения приведены результаты моделирования работы устройства.

Столбец №5:

ΔP_k=(Y_n[w+2h]-Y_n+2) - погрешность прогноза с коррекцией на динамике (ТГ=1), % - точность прогноза в % (столбец №6);

столбец №8:

ΔР=(Y_n[w+2h]-Y_n+2[SR]) - погрешность прогноза без коррекции на динамике. % - точность прогноза в % (столбец №9);

Реализация в предложенном устройстве уравнений линеаризации медианы СП (7) и (8) в схеме и дополнительном блоке коррекции кода прогноза для динамики и стационарного режима увеличивает реальное время (глубину) прогноза в два раза без увеличения буфера памяти предыстории входного СП.