Устройство для идентификации случайных процессов

 

Изобретение позволяет осуществлять гарантированную в смысле обеспечения любой наперед заданной точности идентификацию как стационарных , так и нестационарных случайных процессов, представляемых авторегрессионной моделью. Устройство содержит входной аналого-цифровой преобразователь , входной блок пуска-останова , блок задержки сигнала, два накапливаю: их сумматора, три блока задержки информации, квадратор, блок Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано в практических задачах идентификации , фильтрации, прогнозирования , управления и и любых других приложениях , где требуется в условиях априори неизвестных данных получить эквивалентную в смысле требуемой точности описания модель как стационарных , так и нестационарных случайных процессов. Цель изобретения - расширение области применения и повышение быстродействия устройства. сравнении, два pvirncipa памяти константы , блок деления, сумматор и трь блока умножения, причем выход третьего блока умножения является выходом тройства. Указанная совокупность блока реалнч ет таь,}ю модификацию классического метода наименьших шадратов, количество i аблюдении идентифицируемою случайною пронегса не фиксируется заранее, а оьределяьп я в оде последовательно о наблюдения VHOMHHVTOIO процесса моментом останова наблюдении. Зтот момент наступает , когда накапливаемая вели шна сташстики, названной опорной, ирсипснт пороговый уровень, однозначно определяемый заданным значением точности идентификации . После останова наблюдений на выходе устройства появляется результат и. ентификации случайного процесса в виде оценки параметра авторегрессионной модели. 3 ил. Устройство реализует последовательную процедуру обработки наблюдений идентифицируемого случайного процесса, являющуюся такой модификацией метода наименьших квадратов, когда длительность интервала наблюдения не фиксируется заранее, а определяется превышением порогового уровня накапливаемым значением специальной опорной статистики, учитывающей структуру идентифицируемого случайного процесса. По заданному значению точности идентификации не приблизительно , а однозначио определи (Л о N5 00 О 4 О

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН

„.SU„„362 046 (51) 5 . 05 В 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4634448/24 (22) 09.01 ° 89 (46) 15.02.91 Бюл. и - 6 (71) Сибирский физико-технический институт им. В.Д,Кузнецова при

Томском государственном университете им, В.В.Куйбышева (72) Ю,М.Гармаш (53) 62-50 (088.8) (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ

СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ (57) Изобретение позволяет осуществлять гарантированную в смысле обеспечения любой наперед заданной точности идентификацию как стационарных, так и нестационарных случайных процессов, представляемых авторегрессионной м>делью. Устройство содержит входной аналого-цифровой преобразователь, входной блок пуска-останова, блок задержки сигнала, два накапливаю,их сумматора, три блока задержки информации, квадратор, блок

Изобретение относится к техни еской кибернетике и может быть использовано в практических задачах идентификации, фильтрации, прогнозирова.ния, управления и в любых других приложениях, где требуется в условиях априори неизвестных данных получить эквивалентную в смысле требуемой точности описания модель как стационарных, так и нестационарных случайных процессов.

Цель изобретения — расширение области применения и повьппение быстродействия устройства. сравнения, два регистра памяти константы, блок деления, сумматор и три блока умножения, причем выход третьего блока умножения является выходом устройства. Указанная совокупность блока реализует такую модификацию классического метода наимеш ших квадратов, когда количесTBo l àáëþдений идентифицируемого случайного пронесс» не фикгируется заранее, а олределяетгя в ходе последовательного наблюдения упомянутого процесса моментом останова на .злюдений. Этот момент наступает тогда, когда накапливаемая вели пина с T;lòèñ Tèêè, названной опорной, прс высит пороговый уровень, однозначно определяемый заданным значением точности идентификации ° 11осле останова наблюдений на выходе устрс йстна появляется результат H,,åíòèôèêàöèè случайного процесса в ниде оценки параметра авторегрессионной модели. 3 ил, Устройство реализует последовательную процедуру обработки наблю. дений идентифицируемого случайного процесса, являющуюся такой модификацией метода наименьших квадратов, когда длительность интервала наблюдения не фиксируется заранее,,а определяется превышением порогового уровня накапливаемым значением специ" альной опорной статистики, учитывающей структуру идентифицируемого случайного процесса, По заданному значению точности идентификации не приблизительно, а однозначно определя1628046

40 ется пороговый уровень, а следовательно, и тот момент, когда можно прекратить наблюдения (так как заданная точность идентификации уже

5 достигнута) и сформировать на выходе предлагаемого устройства искомый результат, специальным образом пронормировав при этом последнее наблюдение идентифицируемого случайО ного процесса, Иа фпг.l изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - структурная схема блока пуска-останова; на фиг.3 - структурная схема блока цифровой задержки информации °

Устройство (фиг.1) содержит аналого-цифровой преобразователь 1, блок

2 пуска-останова, блок 3 цифровойзадержки сигнала, гервый накапливающий сумматор 4, блок 5 умножения, первый 6 и второй 7 блоки цифровой задержки информации, регистр 8 памяти константы, третий .блок 9 цифровой задержки информации, блок 10 сравнения, второй накапливающий сумматор

11, квадратор !2, сумматор 13, второй блок 14 умножения, блок 15 деления, второй регистр 16 памяти константы и третий блок 17 умножения.

Входами Устройства являются информационный вход аналого-цифрового преобразователя 1, а также входи 18

"Пуск" и !9 "Останов" блока 2 пуска35 останова.

Блок 2 пуска-останова (фиг.2) содержит логический элемент ИЛИ 2.1, логический элемент И 2.2, линию 2,3 цифровой задержки сигнала и управляющий триггер 2.4.

Входами блока 2 являются вход

20 "Пуск", вход 21 "Останов" и вход

22 "Перезапуск", а выходом — выход

23 импульсов запуска АЦП1.

Блок К (1=6,7 или 9) цифровой задержки информации (фиг. 3) содержит логические элементы klE К.1 и К,2, логические элементы И К.3 ° 1-К.3.п и

К.4.1-K.4.ï (и — число разрядов н

50 представлении цифровой информации), триггеры K.5. 1-K.5.ï входного запоминающего регистра, логические элементы И К.6.1-К,6.п и К.7,1 К.7.п и триггеры К.8.1-К.8,п выходного запо55 минающего регистра.

Входами блока К являются вход 24 поступления синхронизирующих (управляющих) сигналов, информационные же синхроимпульсом открываются элементы И К. 3. 1-К. 3. и и К. 4. 1-К. 4. и, выполняющие функции входных вентилей, и входная информация, поступившая на вход 25, записывается в триггеры К,5 ° 1-К.5.п и хранится в них до прихода на вход 24 следующего синхроимпульса. Время задержки информации, поступающей на вход 25 блока К, равно периоду поступления синхроимпульсов на его управляющий вход 24.

Устройство работает следующим образом, Иде нт и фи к аци я ос уще с тв ля е тс я в классе авторегрессионных моделей идентифицируемых случайных процессов. Указанные модели удовлетворительно описывают любой случайный процесс. 11а этом основании подлежащий идентификации случайный процесс может быть представлен уравнением авторегрессии х =фх + (+< отсчет шума в момент времени t с М = О и

М 2 = О (М вЂ” знак матема2

1 тического ожидания; (.) дисперсия); текущий отсчет в дискретном времени, где входы логических элементов И К.3. lК. 3. и и К. 4, 1-К. 4. п, образующие в совокупности векторный информационный вход 25, и вход 27 "Уст.О" (необходим только для блока 6 цифровой задержки информации), Выходы триггеров К.8 ° 1-К,8.п выходного запоминающего регистра в совокупности образуют векторный информационный выход

26 блока К, Блок К (К = 6,7,9) цифровой задержки информации работает следующим образом (фиг.3)

При появлении синхроимпульса на управляющем входе 24, открываются элементы И К,6. 1-К,6,п и К.7,1K.7.п,.выполняющие функции вентилей, и происходит перезапись содержимого

I триггеров К,5 ° 1-K,5.п в триггеры

К,8,1-К,8.п причем укаэанная перезапись осуществляется за время, меньшее времени задержки управляющего импульса, обеспечиваемой элементами НЕ К.l и К.2. Затем этим

5 !62 !

Требуется идентифицировать случайный процесс, что эквивален1но нахождению оценки 7! истинного значения параметра Я из (1), если задано, что допустимое среднеквадратическое отклонение найденной оценки от 7 не должно превышать с., т,е, 2 для осуществления идентификации случайного процесса, гарантированной в смысле выполнения условия

М(ф — Я) с Е (2) предлагаемое устройство формирует (после завершения последнего, N-го, шага наблюдения) нормированную статистику — параметр ф и

Перед пуском устройства в регистры

8 и 16 памяти константы вводятся соответственно константы С и 1/Г, опеделяемые на основе заданной точностг г иэ соотношения

g2/ 2 если дисперсия 5 известна, и из соотношения

С Р/Eã если 5 неизвестна, но известно, что она не превышает известной константы (т,е,5 P).

Сигнал Пуск, пройдя через блок

2 пуска=останова, приводит в исходное состояние блоки предлагаемого устройства (на фиг ° 1 не показаны связи, обеспечивающие сброс в 0 соответствующих блоков устройства) и запускает АЦП1, преобразующий поступающую на его информационный вход непрерывную реализацию x(t) идентифицируемого случайного процесса в представленные в цифровом коде дискретные отсчеты х, S = 1,2,..., которые с информа5 ционного выхода ЛЦП1 одновременно постулают на входы блока 5 умножения, блока 6 цифровой задержки информации и квадратора 12. Импульсы с выхода сигнализации конца преобразования

АЦП1 поступают на блок 3 цифровой задержки сигнала, где задерживаются на время выполнения операций перемножения в блоке 5 умножения и суммирования в сумматоре 4, после чего одновременно подаются на управляющие входа йакапливающих сумматоров 4 и 1) для одновременного считывания (на каждом рабочем такте) накопленной в них информации.

Поступающая с информационного вьгхода AILIII информация об отсчетах х»

S 1,2,... (укаэанная информация в виде готового результата преобраэо8046 6 вания считыва ется с информационно го выхода АЦП) импульсами с выхода сиг нализации конца преобразования, подаваемыми на вход считывания этого же

АЦП1, на фиг ° 1 зта связь не показана, после задержки на один рабочий такт предлагаемого устройства в блоке 6 цифровой задержки информации приобретает на другом входе блока 5 умно*е»«д х,,, Я - 1,2." (x, -0, так как после включения предлагаемого устройства на выходе АЦП1 появляется х, т.е. результат первого преобра15 зовация, потом х, и т,д.), вследствие этого результат U на выходе бло5 ка 5 умножения имеет, например, на

S-м рабочем такте вид ! 2 ° ° ° °

Работа блоков 1-12 предлагаемого устройства (фиг ° 1) периодически повторяется, причем период повторения рабочий такт устройства — складывается из времени выполнения операции преобразования в АЦП1, времени выполнения операции перемножения в блоке 5 умггожения (или в квадраторе

12), времени выполнения операции сложения в сумматоре 4 (или в сумматоре

30 !1) и времени выполнения операции сравнения в блоке 10 сравнения (входящие в состав рабочего такта время считывания информации из блоков 1-12 и время задержки, осуществляемой линией 2.3 в составе блока 2 пускаостанова, исключены из рассмотрения из-за их малости по сравнению с временем выполнения операций в блоках, при необходимости учет указанных вре40 мен легко осуществим) . Блоки 13-17 предлагаемог о. устройства включаются в работу лишь после появления на управляющем выходе блока 10 сравнения сиг нала разрешения работы указанных

45 блоков, Понвление этого сигнала означает завершение последнего, N-го, рабочего такта (блоки 1-12 прекращают работу) и начало дополнительного такта (блоки 13-17 включаются на время, необходимое для формирования на выходе устройства результата гарантированной идентификации случайного процесса, поступившего на его вход).

С выхода блока 5 умножения результат U одновременно поступает на информационный вход блока 14 умножения и на информационный вход накап1628046 ливающего сумматора 4, выходной результат (статистика — параметр) которого имеет, например, на S-м рабочем такте следующий вид

З 5

U4 Е хК,хК

keI

Одновременно с формированием результатов П и У4. формируются результат 0<2 (на выходе квадратора 12) и

l0 опорная статистика Uil (на выходе накапливающего сумматора 11), которые имеют, например, на S-м такте следующии вид

2 °

I2 — +43 э 15 õ

К=1

С выхода накапливающего сумматора

4 результат Б4 поступает на блок 7 цифровой задержки информации, где за- 20 держивается на время одного рабочего такта, поэтому результат Б7 на выходе блока 7, например, íà S-м такте имеет следующий вид:

5- 25

7 К

К 1

Результат U с выхода сумматора

Ц

l1 поступает на вход вычитаемого блока 10 сравнения, на второй информационный вход (вход уменьшаемого) которого с выхода регистра 8 памяти подается значение пороговой константы С, с ее помощью определяется последний (N-й) рабочий такт, так как сделанных (к N-му такту, включая наблюдение на N-м такте) наблюдений идентифицируемого случайного процесса достаточно для осуществления его идентификации, гарантированной с лю- 40 бой наперед заданной точностью Я, На информационном выходе блока

10 сравнения образуется, например, на S-м такте разность Б следующего вида

Б 45

ЦО С а хку

1 2 0 к, к которая поступает на вход блока 9 цифровой задержки информации, осуществляющего задержку на время одно50 го рабочего такта, вследствие чего результат U íà его выходе, напри9 мер, на S-м такте имеет следующии вид

s i

С выхода блока 9 результат U no9 ступает на вход делимого блока 15 деления, При появлении на управляющем выходе блока 10 сравнения управляющего сигнала Б„о этот сигнал одновременно

2 поступает на входы разрешения работы блока 15 деления, блока 14 умножения, сумматора 13 и блока 17 умножения, которые срабатывают в укаэанной последовательности. Сигнал П< не задержан относительно U o и сфор-

1 мирован так, что знаку плюс" (при

5 2

С вЂ”, х k ) О) соответствует сигнал "0", а знаку "минус" (при СВ

- x (О) - сигнал "1п — сигнал

Ka\ раэрецения работы, причем появление сигнала U означает, что для блоков 1-12 завершился последний (N-A) рабочий такт и наступило время работы блоков 13-17 (дополнительный такт) предлагаемого устройства, в которых началось формирование выходного результата, т.е. результата гарантированной идентификации входного случайного процесса.

Так как на последнем (N-м)рабочем такте на вход делителя блока 15 деления с выхода квадратора 12 поступает результат х> а на вход дели2 мого блока 15 с выхода блока 9 задержки — результат U на выходе блока 15 после его срабатывания появляется результат U 1 (нормирующая статистика) след ующего вида:

2.

С-, х

Ic I

U 1 .г

М который поступает на другой информационный вход блока 14 умножения. Так как на первом информационном входе блока 14 уже имеется (на N-м такте) результат U = xll хм с выхода блока 5 умножения, блок 14 (по имеющемуся сигналу разрешения его работы) формирует на своем выходе результат U след.ющего вида:

U14 = xN х1,,П

Результат U < поступает на второй вход сумматора 13, на первый вход которого с выхода блока 7 цифровой задержки информации поступает (на N-м такте) результат й-<

Т К- К

K -=-! сумматор 13 срабатывает, так как его работа разрешена, формируя на своем выходе результат И следующего вида:

1628046 й-1

О Х .К хк,ахи xN>

K> >

Результат U< поступает «а первый вход блока 17 умножения, на вто5 рой вход которого с выхода регистра

16 памяти подается значение константы I/Ñ> а так как работа блока 17 разрешена, он срабатывает > формируя на своем выходе результат U<7 (нормированная статистика - параметр) следующего вида: л К

U, - Э!4 - 1 C(x„, х„+ U„,„ „, Результат U<> = я> являясь оценкой параметра q авторегрессионной модели (1) идентифицируемого случай-ного процесса, поступившего на вход предлагаемого устройства, представляет собой результат его идентификации (по N наблюдениям), гарантированной в смысле обязательно;о выполнения условия (2), Синхронизация работы устройстна в целом осуществляется следующим образом (фиг.!), Сигналом "Пуск" осущестнпяется сброс в "0" накапливающих сумматоров

4 и 11, входного и выходного запоминающих регистров в блоке 6 (фиг.3) 30 и триггера знака в блоке 10 (на фиг ° 1 указанные связи не показаньi)> приводится в единичное состояние триггер 2.4 (в блоке 2) и запускается (на первое преобразование),ЛЦ!11, 35

Работа ЛЦПI и блоков 5, 4 и 7, а также АЦП1 и блоков 12, 11, IO и 9 осуществляется последовательно во времени, причем в качестве сигнала синхронизации для всех перечисленных 40 блоков (кроме ЛЦПI) используется сигнал окончания операции предыдущего блока (на фиг.l укаэанные цепи синхронизации не показаны), Сигналом синхронизации для АЦПI (на второе, тре- 45 тье и т.д. преобразования) является сигнал окончания операции сравнения в блоке 10, который поступает с отдельного выхода блока 10 на вход 22

"Перезапуск" (фиг.2) блока 2 (на 50 фиг.l указанная связь не показана).

Как и для блоков 5 и 12, синхрониэирующим сигналом для блока 6, поступающим на его управляющий вход

24 (фиг.3) являются импульсы с выхо- 55 да сигнализации конца преобразования АЦП! (на фиг.l указанная связь не показана). Считывание готовой информации из сумматорон 4 и 11 осуществляется одновременно путем одновременной подачи на их входы считывания (после задержки в блоке 3 на нремя < обработки выходной информа"1 ции АЦПI в блоке 5 умножения и cvM" маторе 4, которое равно времени

h обработки той же информации с выхода

ЛЦП! в квадраторе 12 и сумматоре 11), импульсов сигнализации конца преобразования с отдельного выхода АЦПI, Работа блоков 1-12 повторяется с периодом, равным длительности рабочего такта, вплоть до последнего (N-го) рабочего такта, когда в блоке

10 выполняется условие C - 0 х < 0

ga> после чего триггер знака в составе блока 10 устананлинаетси н состояние

"1". Со знакового выхода блока IО

1> >> сигнал 1 одновременно подается на вход 21 "Останон" блока 2 (на фиг. 1 указанная связь не показана) и на входы разрешении работы блоков 15, 14, 13 и 17. Сигнал на входе "Останови блока 2 (фпг.2) прекращает работу блоков 1 — 12, для чего устанавливает управляющий триггер 2 ° 4 в

11 11 с стояние О, запирая тем самым э. емепт И 2.2 для прохождения поступающего па вход 22 "Перезапуск" блока 2 сигнала окончания операции сравнения (сигнапа перезапуска AliJII) с отдельного выхода блока 10, более позднее появление сигнала перезапуска а входе 22 блока 2 (относительно момента появлении сигнала "1" на входе 21 блока 2) осуществляется его небольшой задержкой, обеспечиваемой пинией 2.3 блока 2, Сигнал "1" со знакового выхода блока 10 разрешает работу (точнее, дает общее разрешение на работу) блоков 15, 14, 13 и 17 во время дополнительного такта (нли сверхтакта), которые срабатывают друг за другом в указанной последовательности, причем в качестве сигнал". синхронизации (сигнала начала операции) для каждого нз этих блоков используется сигнал окончания операции предыдущего блока (на фиг,l указанные цепи синхронизации не показаны).

Предлагаемое устройство обеспечивает как идентификацию стационарных случайных процессов, гарантирован11 ную лишь приближенно и лищь при неопределенно большом, числе наблюде- ° ний, так и идентификацию нестационарных случайных процессов гарантиР

5 рованную при однозначно определяемом (по заданной точности идентификации) числе наблюдений при повышении быстродействия °

162804

30

Формула изобретения

Устройство для идентификации случайных процессов, содержащее входной аналого-цифровой преобразователь, входной блок пуска-останова, подсоединенный выходом к входу запуска аналого-цифрового преобразователя, блок цифровой задержки сиГнала, подсоединенный входом к выходу сигнализации конца преобразования аналого20 цифрового преобразователя, первый и второй накапливающие сумматоры, первый блок умножения, первый блок цифровой задержки информации, квадратор, первый регистр памяти константы, блок деления и блок сравнения,, знаковый выход которого подсоединен к входу разрешения работы бгока деления, информационный выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен к входам первого блока умножения, квадратора и первого блока цифровой задержхи информации, подсоединенного выходом к другому входу первого блока умножения, выход которого подсоединен к информационному входу первого, накапливающего сумматора, выход блока цифровой задержки сигнала подсоединен к входам считывания первого и второго 40 накапливающих сумматоров, выход квад12 ратора подсоединен к информационному. входу вторрго накапливающего сумматора, выход которого подсоединен к информационному входу блока сравнения> к другому информационному входу которого подсоединен выход первого регистра памяти константы, о т л ич а þ ù е е с я тем, что, с целью. расширения области применения и повышения быстродействия устройства, в него введены второй и третий блоки умножения, второй и третий блоки цифровой задержки информации, второй регистр памяти константы и сумматор, выход первого накапливающего сумматора через второй блок цифровой задержки информации соединен с первым информационным входом сумматора, второй информационный вход которого соединен с выходом второго блока умножения, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с выходом первого блока умножения и выходом блока деления, первый информационный вход которого соединен через третий блок цифровой задержки информации с информационным выходом блока сравнения, второй информационный вход блока деления соединен с выходом квадратора, входы разрешения работы второго блока умножения, сумматора и третьего блока умножения подсоединены к знаковому выходу блока сравнения, выход сумматора соединен с первым информационным входом третьего блока умножения, второй информационный вход которого соединен с выходом второго регистра памяти константы, а выход является информационным выходом устройства.

1 62l>0 (i фиг. 1

1628046

Ю

Ц с

Составитель А,Лащев

Редактор А.Лыжника Техред A.Êðàâ÷óê

Корректор Л,Патай

Заказ 341 Тираж 473 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101