Устройство для прогнозирования случайных процессов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАКЙЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, леррые, вторые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммирования , кольцевой счетчик, блок памяти , генератор импульсов и элемент НЕ, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени прогноза , в него введены группа квадраторов , второй накапливающий сумматор , делитель и четвертый умножитель , первый вход первогоэлемента И соединен с запускающим входом генератора импульсов и входом устройства , а выход - с информационным входом первого регистра, выходы которого подключены к первьм входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго элемента И соединен с первым входом блока суммирования , выход третьего элемента И соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к второму входу блока суммирования , подсоединенного выходом к первому входу третьего умножителя , второй вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, а выход - с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с g втррь1ми входами первых умножителей, выход генератора импульсов соединен со счетным входом кольцевого счетчика , первый выход которого соединен с входами управления считыванием первого, второго и третьего регистров , а также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольцевого счетчика соединен с входами управления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом третьего элемента И, а также с входом элемента НЕ, выход которого соединен с входом первого элемента И, выходы квадраторов соединены с входами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первому входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ае ои

120 А уц С 05 В 23/02; G 06 F 15/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3486800/24 — 24 (22) 31.08.82, (46) 23. 10. 84 . Бюл. У 39 (72) В.Н. Попов, В.И. Кривоцюк и А.А. Матвеев (53) 621.396(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 532104, кл . С 06 F 15/46, 1975, 2. Лукашин 10.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования.

М., "Статистика", 1979, с. 90-95 (прототип).

1 (54) (57) УСТРОЙСТВО ЛДЯ ПРОГНОЗИРОВАЙИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, первые, вторые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчик, блок памяти, генератор импульсов и элемент

НЕ, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени прогноза, в него введены группа квадраторов, второй накапливающий сумматор, делитель и четвертый умножитель, первый вход первого элемента

И соединен с запускающим входом генератора импульсов и входом устройства, а выход — с информационным входом первого регистра, выходы ко-. торого подключены к первым входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго элемента И сое" динен с первым входом блока суммирования, выход третьего элемента И соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к второму входу блока суммирования, подсоединенного выходом к первому входу третьего умножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого умножителя, а выход — с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с вторь1ми входами первых умножителей, ф выход генератора импульсов соединен со счетным входом кольцевого счетчика, первый выход которого соединен с входами управления считыванием первого, второго и третьего регистров, а также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольцевого счетчика соединен с входами управления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом третьего элемента

И, а также с входом элемента НЕ, ;выход которого соединен с входом .первого элемента И, выходы квадраторов соединены с входами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первому входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

1120288

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования сЛучайных процессов в автоматизированных системах принятия решений, в частности в АСУ или автоматизированных КС УКП промышленных предприятий.

Известно устройство для прогнозирования тенденций изменения параметров технологических процессов в автоматизированных системах управления, содержащее блок обегающего контроля, блок управления, функциональный блок, коммутатор, блок памяти, схемы сравнения, блок формирования знака, регистратор, блок вычисления первой средней конечной разности и блок вычисления начального значения функции P j .

Недостатками данного устройства являются сложность, большое время вычисления, возможность прогнозирования только стационарных процессов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее три регистра, три элемента И, элемент НЕ, первые, вторые и третий умножители, накапливающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчик, блок памяти и гЕнератор импульсов )2) .

Однако известное устройство, реализующее данный алгоритм прогнозирования, предназначено для прогнозирования стационарных случайных процессов и не работает в случаях кОгда необходимо прогнозировать нестационарные случайные процессы.

Процесс настройки коэффициентов в этом случае затягивается или вообще прекращается.

Целью изобретения является сокра— щение времени прогноза.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для прогнозирования случайных процессов, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, первые,вто-" рые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммиро-вания, кольцевой счетчик, блок памяти, генератор импульсов и элемент

НЕ, содержит также группу квадраторов, второй накапливающий сумматор, делитель и четвертый умножитель, первый вход первого элемента И соединен с запускающим входом генерато. ра импульсов и входом устройства, а выход — с информационным входом первого регистра, выходы которого подключены к первым входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми .входами вто30 рого и третьего элементов И, выход второго элемента И соединен с первым входом блока суммирования, выход третьего элемента И соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к второму входу блока суммирования, подсоединенного выходом к первому входу третьего умйожителя, второй вход которого соединен с выходом

20 четвертого умножителя, а выход— с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с вторыми

25 входами первых умножителей, выход генератора импульсов соединен со счетным входом кольцевого счетчика, первый выход которого соединен с входами управления считыванием первого, второго и третьего регистров, 1 а также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольце,вого счетчика соединен с входами управления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом

35 третьего элемента И, а также с входом элемента НЕ, выход которого соединен.с входом первого элемента И, выходы квадраторов соединены с вхо40 дами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первому входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом блока памяти.

Указанные отличительные признаки позволяют проводить прогнозирование . нестационарных случайных процессов.

Зто достигается за счет реализации устройством алгоритма настройки ве50 совых коэффициентов второго порядка (Ньютона-Рафсона), а не градиентного метода как в известном устройстве.

На чертеже дана блок-.схема пред > .лагаемого устройства.

Устройство содержит первый элемент И 1, генератор 2 импульсов, кольцевой счетчик 3, первый регистр

120288

t5

25

-35

50 где W(j + 1) 55

3 1

4, первые умножители 5, третий регистр 6 накапливающий сумматор 7, третий элемент И 8, второй регистр

9, блок 10 суммирования, второй элемент И 11, квадраторы 12, накапливающий сумматор 13, делитель 14, умножитель 15, блок 16 памяти, третий умножитель 17, вторые умножители 18, элемент НЕ 19.

Устройство работает следующим образом.

Выборки выходного случайного процесса X(j) поступают на входы блоков 1 и 2. С выхода генератора 2 пос ледовательность импульсов поступает на вход счетчика 3, на выходе которого появляется сигнал С . Выборка входного процесса X(j) проходит на регистр 4, в котором в результате образуется вектор выборок входного сигнала X(j). Сигнал С! поступает на второй вход регистра 4 для считывания X(j). Информация поступает на первые входы умножителей 5, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода регистра 6, считанные по сигналу С1. В регистре 6 хранятся значения весовых коэффициентов W(j), полученные на предыдущем шаге прогнозирования. Сигналы с выходов умножителей 5, соответствующие произведениям Х W< поступают на входы сумматора 7, на выходе которого формируется выходной сигнал

y(j) = w (j) i7(j). Сигнал y(j) посту пает на первый вход элемента И 11, на второй вход которого поступает сигнал С1 со счетчика 3. Одновременно сигнал С1 поступает на вход регистра 9, в котором записывается значение прогноза у(j),полученное на предыдущем шаге.

Информация об истинном значении

y(j) с выхода логического элемента

И 11 и прогноз y(j), считанный с регистра 9, поступают на два входа блока 10. На выходе сумматора 10 формируется сигнал ошибки прогноза л

E(j)= y(j) - y(j), который участвует в формировании весовых коэффициентов прогнозирующего устройства.

Одновременно с сигналом ошибки происходит формирование скаляра

2К/Х (j)X(j). Сигналы с выходов регистра 4 поступают на входы квадраторов 12, с выходов которых сигналы, соответствующие величинам х,у, поступают на входы накапливаюшего сумматора 13, на выходе которого Формируется сигнал P xi . Этот

11 сигнал, пройдя делитель 14, умножается на коэффициент 2К, находящийся в блоке 16 памяти и списанный оттуда сигналом С1, в умножителе 15.

На выходе умножителя !5 получается сигнал 2К Х (I) X (jl, который поступает на один вход умножителя !7, на второй вход которого поступает сигнал ошибки K (j) с выхода сумматора 10. Сигнал с выхода умножителя

17 поступает на вторые входы умножителей 18, на первые входы которых поступают сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора 1((j). На выходах умножителей !8 формируются составляющие вектора h W (j + 1). В регистре 6 формируется весовой вектор W(j + 1), В это время по сигналу С2 запирает элемент И 1, открывает элемент И 8.

Сигнал С2 поступает на входы регистров 4 и 6 Начинается формирование прогноза у(3 + 1) . Сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора Х (), и сигналы с выходов регистра 6, соответствующие компонентам весового вектора W(j + 1), умножаются в умножителях 5 и поступают на входы накапливающего сумматора 7, на выходе которого получается прогноз величины к.

y(j + 1) на следующий шаг адаптации.

Этот сигнал проходит через открытый элемент И 8 на вход регистра 9, в который и записывается, вытесняя из него предыдущее значение прогноза л

y(j). После этого сбрасывается счетчик 3. На вход устройства поступает следующая выборка входного сигнала. Цикл повторяется.

В известном устройстве реализует-. ся алгоритм самонастройки весовых коэффициентов по методу наискорейшего спуска вида

Ъ(1Р ) =%(1! e k Ф(Е (j)j вектор весовых коэффициентов, определяемых íà (j + 1)-м шаге адаптации параметр шага адаптации, 112Î288

Vff (j)1 - градиент случайной функции, < (1) .С Я- У(1Я, (3)

Замена градиента усредненной "" функции И t E (j )) случайной производится по той причине, что приходится осуществлять прогноз по единичным реализациям случайных процес4 сов.

В предлагаемом устройстве корректировка весов осуществляется по методу Ньютона-Рафсона

Щ()t1) =%(1)+ 1 Н (2) >(3))) где H(j) " матрица вторьм частных производных случайной функции

E (j) Нй) X(j>x <1), (М

Матрица H(j) есть симметрическая, вырожденная матрица. Поэтому выражение Н (j) не существует и необходимо псевдообращение

H ii1 = H(iôt „ H l ) (, где „9 (j ) -" X (j ) X (j) след матрицы

Н(1) .

Подстановка (5) в (1) с учетом того, что Ч E (): 2E(/)Х (j) пает

S алгоритм Ньютона-Рафсона для корректировки весов прогнозирующего устройства

Ъ <1 1) ™(1)+ (:(1) <>)/l Н()(Из выражения (6) следует что незначительное усложнение устройства, реализующего алгоритм (1), приводит к возможности использования алгоритма Ньютона.-Рафсона. А это, в свою очередь, позволяет прогнозировать нестационарные случайные процессы, так как увеличивает скорость сходимости вектора весовых коэффициентов к оптимальному значению.

Результаты моделирования на ЭВМ показывают, что быстродействие предлагаемого устройства по сравнению с известным устройством повышается примерно на 25-307 (в зависимости от типа прогнозируемого процесса).

1120288

Составитель С. Демиденко

Редактор Г. Волкова Техред Л.Микеш Корректор А. Тяско

Заказ 7739/34 Тираж 841 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4