Адаптивный экстраполятор

 

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для краткосрочного прогнозирования различных нестационарных случайных процессов. Оно может найти применение в автоматизированных системах обработки данных и управления, например в системах с запаздыванием для формирования прогноза значения управляемой переменной с целью определения соответствующего управляющего воздействия. Отличительной особенностью экстраполятора является то, что на основе минимума априорной информации по характеристикам особых точек нестационарного случайного процесса производится соответствующая подстройка параметра адаптации экстраполятора. Положительный эффект устройства заключается в повышении точности прогноза значений нестационарных случайных процессов и уменьшении аппаратурных затрат по сравнению с аналогичными устройствами. Экстраполятор содержит два умножителя , два блока вычитания, сумматор, четыре регистра, блок синхронизации у арифметический блок, схему сравнения элемент НЕ и два счетчика. 4 ил. 3 Ё

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ВИ

РЕСПУБЛИК

А1

„.SU„„ рц С 06 F 15/353

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧ КВЬПИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР и А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4684336/24(22) 27. 04 .89 (46) 30.05.91. Бюп. N 20 (71) Саратовский политехнический институт (72) P.Н. Каримов, А.А. Большаков и А.В. Иванов (53) 681.325 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 881765, кл. С 06 F 15/353, 1981.

Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузнецов В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов.

И.: "Советское радио", 1975, с. 400, (54) АДАПТИВНЫЙ ЭКСТРАПОЛЯТОР (57) Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для краткосрочного прогнозирования ,различных нестацнонарных случайных процессов. Оно может найти применение в автоматизированных системах обработки данных и управления, напИзобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в качестве функционального блока первичной переработки информации с прогнозированием тенденции развития процессов в АСУ.

Цель изобретения — повышение точности прогноза значений нестационарных случайных сигналов.

На фиг. 1 представлена структурная схема экстраполятора; на фиг.2, 3— пример выполнения структурной схемы арифметического блока; на фиг.4 пример выполнения структурной схемы фрагмента блока синхронизации. ример в системах с запаздыванием для формирования прогноза значения управляемой переменной с целью определения соответствующего управляющего воздействия, Отличительной особенностью экстраполятора является то, что на основе минимума априорной информации по характеристикам особых точек нестационарного случайного процесса производится соответствующая подстройка параметра адаптации экстраполятора. Положительный эффект устройства заключается в повышении точности прогноза значений нестационарных случайных процессов и умень" шении аппаратурных затрат по сравнению с аналогичными устройствами.

Экстраполятор содержит два умножителя, два блока вычитания, сумматор, четыре регистра, блок синхронизации; арифметический блок, схему сравнения, элемент НЕ и два счетчика. 4 ил.

Адаптивный экстраполятор (фиг.1) содержит информационный вход 1, умножитель 2, блок вычитания 3, умножитель 4, сумматор 5, регистр б параметра адаптации, блок 7 синхронизации, регистры 8, 9, блок 10 вычитания, счетчик 11 числа нулей, арифметический блок 12, счетчик 13 циклов, схему 14 сравнения, регистр 15 числа циклов, элемент НЕ 16, выход 17, вход 18 запуска, выходы 19-33 блока

7 синхронизации, вход 34 параметра адаптации экстраполятора, вход 35 периода адаптации экстраполятора, вход

36 константы в 2/2, вход 37 констан1652980 ты 1 экстраполятора, вход 38 константы 0,5 экстраполятора, вход 39 константы 2 экстраполятора.

Арифметический блок 12 (фиг.2, 3) содержит делитель 40, квадратор 41, 5 умножитель 42, вычитатель 43, формирователь 44 знака числа, формирователь 45 абсолютной величины числа, схему 46 сравнения, элемент НЕ 47, группу элементов И 48, умножитель 49, группу элементов ИЛИ 50, умножитель

51, вычитатель 52, сумматор 53, вычислители 54, 55 квадратного корня, сумматор 56, умножитель 47, дели гель 58.

Фрагмент блока 7 синхронизации (фиг.4) содержит элемент И 59, генеРатор 60 импульсов, элементы 61, 62 задержки.

Адаптивный экстраполятар работает следующим образом.

В момент включения с входа 18 подается сигнал начала работы,по которому экстраполятор переходит в рабочее состояние. Во время работы по истечении каждого цикла формируется

Новое значение прогноза случайного

Сигнала.

Сигнал начала работы подается на

d6нуляющие входы блоков 3, 10 вы30 итания, сумматора 5, регистров 8, 9 счетчиков 11 и 13. По этому сигна( 1у их содержимое устанавливается

Равньм нулю, в регистр 6 записывается начальное значение параметра адап- 35 тации е4, поступающее с входа 34, в регистр 15 с входа 35 записываетфя величина периода адаптации Т .

Начальное значение Ф- обычно

ыбирают в интервале 0,2-0,5. Пери40 д адаптации Т представляет собой количество циклов работы экстрапопя ора, по истечении которых происхоДит адаптация экстрапслятора, т. е. вычисляется новое значение парамет Ра 0L. Период Та определяется натуРальными числами Т с = 1, 2, 3....

Практически величина Т лежит в пределах 10-100.

Цикл работы экстраполятора, в тече- 0 ние которого получают очередное значение прогноза случайного сигнала

Длится три такта под управлением блока 7 путем подачи синхросигналов на выходы 19, 20 и 21. Однако если в цикле вычисляется также значение параметра 0(, то он длится

15 тактов: сначала под управлением синхросигналов на выходах 19-21, а затем под управлением синхросигналов на выходах 22-33.

Пусть период адаптации Т4 = 10, тогда первые 9 циклов работы экстраполятора будут совершаться за 3 такта каждый, при этом прогноз значений случайного сигнала будет получен при использовании начального значения параметра (. В десятом цикле для пслучения прогноза случайного процесса будет также испсльзонаться начальное значение параметра 06, но он будет длиться уже 15 тактов. Дополнительные такты организуются для вычисления нового значения параметра 06 . В следующих десяти циклах прогноз случайного сигнала будет получен при использовании вновь вычисленного значения 0 . Затем опять вычисляется новое значение и т.д.

Более подробно работа экстраполятора в пределах одного цикла, состоящего из трех тактов, может быть описана следующим образом.

Пусть на вход 1 экстраполятора поступило очередное значение случайного сигнала У . Тогда по синхросигналу на входе 19 на выходе умножителя 2 устанаапивается значение

Ф Yq, на выходе блока 3 — значение (1 — t4) . При этом значение Z посту" пает в блок 3 с входа 37.

По синхросигналу на выходе 20 блока 7, поступающему на управляющий вход умножителя 4, на его выходе формируется значение (1 -g)9 <, где Уу, — значение прогноза, полученное в предыдущем цикле.

По синхросигналу на выходе 21 блока 7, поступающему на управляющий вход сумматора 5, на его выходе формируется значение прогноза случайного„сигнала, равное Yg =(XYy + (1-ф) У,,, Процесс адаптации экстрапслятора происходит следующим образом. На протяжении десяти циклов (при Т = 10) информация о случайном процессоре накапливается в счетчике 11 числа нулей. В конце периода адаптации, во время десятого цикла, осуществляется непосредственное вычисление нового параметра в арифметическом блоке 12.

В начале цикла по синхросигналу на выходе 19 блока 7 случайный сиг1652980 нал Yq записывается в регистр 8, на выходе блока вычитания 10 устанавли-. вается значение Х q = Y q — Y где Yq — значение случайного сигнала в предыдущем цикле. При этом счетчик 11 фиксирует число нулей, т.е. число пересечений сигналом Xt своего нулевого уровня.

По синхросигналу на выходе 20 блока 7 на выходе регистра 9 устанавливается значение Х, которое в следующем цикле будет явпяться задержанным значением Y . Таким образом„ регистры 8 и 9 образуют схему задержки входного сигнала на один цикп работы экстраполятора.

По синхросигналу с выхода 2 1 блока 7, поступающему на счетный вход счетчика 13 цикл ов, ег о знач ени е ув еличивается на 1.

При этом, если содержимое счетчика 13 и содержимое регистра 15, хранящего значение Т,1, не совпадают, то схема 14 не вырабатывает управляющий сигнал-. Соответственйо запрещается работа арифметического блока 12 и разрешается благодаря передаче сигнала с выхода элемента НЕ 16 генерирование сигналов на выходах 19-21 блока 7 организации следующего цикла работы экстраполятора.

В случае совпадения значений счетчика 13 и регистра 15, например, в

10-м, 20-м, 30-м и т.д. циклах работы (при Т = 10) на выходе схемы 14 появляется управляющий сигнал, поступающий через элемент НЕ 16 на управляющий вход блока 7 и запрещающий генерирование сигналов на выходах 1921 и одновременно разрешающий выработку синхросигналов на выходах 22 33. Это приводит к включению в рабо, ту арифметического блока 12.

В арифметическом блоке 12 под управлением сигналов на выходах 2232 блока вычисляется новое значение параметра О(, которое записывается в регистр 6 по синхросигналу с выхода 33 ° По этому же сигналу происхо:дит обнуление счетчиков 11 и 13, тем самым они подготавливают к следующему периоду адаптации экстраполятора.

При обнулении счетчика 13 схема

14 перестает выдавать управляющий сигнал и работа блока. 7 через элемент НЕ 16 разрешается, начинается следУющий цикл работы и т.д.

Это происходит следующим образом.

По синхросигналу с выхода 26 блока

7, поступающему на управляющие входы формирователя 44 знака и формирователя 45 абсолютной величины, формируется знак числа, т.е. sign (Pr) и устанавливается .значение PX(, В схеме 46 (pr сравнивается с величиной 0 5 поступающей с выхода

38 константы. Если Px(> 0,5, то схема 46 выдает сигнал на управляющий вход умножителя 49 и на вход элемента НЕ 47. При этом элементы И 48 закрываются, запрещая передачу значения на вход умножитепя 51 через элементы

ИЛИ 50.

Арифметический блок 12 работает следующим образом., С приходом синхросигнала с выхода ,22 блока 7 на выходе делителя 40 ус5

"танивливается значение и = И /Т

or ox ц ° где N«- число нулей процесса, поступающее на первый информационный вход блока 12; Т вЂ” значение периода адаптации, поступающее на второй информационный вход блока 12. Величина N „ может принимать значения в диапазоне N „< = О, 1, 2, ... Тп -1. Величина N <, таким образом, есть среднее число нулей процесса Х, т.е. среднее число пересечений процессом своего нулевого уровня в единицу времени (за один цикл) .

По синхросигналу на выходе 23

20 блока 7, поступающему на управляющий вход квадратора 41, на его выходе устанавливается значение nох, 2

По синхросигналу с выхода 24 блока 7, поступающему на управляющий

25 вход умножителя 42, на его выходе устанавливается значение и n x /2.

По синхросигналу с выхода 25 блока 7, поступающему на управляющий вход вычитателя 43, на его выходе

30 формируется значение py,= 1- N п /2, где P > — значение корреляционной функции при единичном сдвиге сигнала Х, Элементы 44-50 блока 12 проецируют вычисленное значение Р< на допус35 тимую область значений -0,5; 0,5.

Если значение ()„, полученное в вычитатепе 43, удовлетворяет неравенству

-0,5 C.Px(0,5, то оно используется для дапьнейших расчетов. Если Ру 0,5 то используется значение pr = 0,5.

Если Px < -О, 5, то используется значение 0 = -0,5.

16 52980

По синхросигналу с выхода 27 блока 7 на выходе умножителя 49 формируется значение 0,5 sign(P<) кото. рое подается на вход умножителя 51.

В случае если (Р ((0»6» умножитель 49 остается в закрытом состоянии, а с выхода элемента НЕ 47 подается разрешающий сигнал на элементы

И 48. Поэтому на вход умножителя 51 через элементы 48 и 50 поступает значение р, вычисленное в вычитателе 43.

По синхросигналу с выхода 28 блока 7, поступающему на управляющий вход умножителя 51, на его выходе устанавливается значение»

По синхросигналу с выхода 29 блока, поступающему на управляющие входы вычитателя 52 и сумматора 53, на выходе первого устананпивается значение 1-2Ру, а на выходе второго значение 1 + 2 Ру, По синхросигналу с выхода 30 бло а 7, поступающему на упраапяющие входы вычислителей 54, 55 квадратного корня, на выходе пе вого устанавИиваетоз значение »-2 » на выходе второго — значение 1 + 2p».

IIo синхросигналу с выхода 31 блоМа 7, поступающему на управляющие

Ьходы 56 и умножителя 57, на выходе

1 ервого устанавливается значение

1 + 2 »» + l — 2 », à «а выходе

Второго — значение 2 зГ» + 2p», По синхросигналу с выхода 32 блока 7, поступающему на управляющий вход делителя 58, íà его выходе, явю яющемся выходом блока 12, устанавливается значение р равное 2 l+ 2 )» Я1 + 2»)»т 1+ 2»»»), Формула и з обр ет ения

Адаптивно экстраполятор, содержащий первый и второй умножители, сумматор, блок вычитания, регистр параметра адаптации, блок синхронизации, причем информационный вход экстраполятора соединен с входом

Множитепя первого умножителя, выход которого соединен с входом первого слагаемого сумматора, выход которого является выходом экстраполятора и соединен с входом множителя второго уИножителя, выход которого соединен с входом второго слагаемого сумматора, выход регистра параметра адап1О

t5

55 тации соединен с входом множимого первого умножителя и с входом вычита емого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с. входом константы 1 экстраполятора, выход блока вычитания соединен с входом множимого второго умножителя, первый выход блока синхронизации подключен к синхровходам первого умножителя и блока вычитания, а второй и третий выходы - соответственно к синхровходам второго умножителя и сумматора, вход запуска экстраполятора соединен с обнуляющими входами блока вычитания и сумматора, с запускающим входом блока синхронизации и с входом начальной установки регистра параметра адаптации, информационный вход которого соединен с входом параметра адаптации экстраполятора, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности прогноза значений нестационарных случайных сигналов, в него введены первый и второй регистры, регистр числа циклов, второй блок вычитания, счетчик числа нулей, счетчик циклов, схема сравнения, элемент НЕ и арифметический блок, причем информационный вход экстраполятора соединен с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с информационным входом второго регистра, выход которого подключен к входу вычитаемого второго блока вычитания, вход уменьшаемого которого подсоединен к информационному:. входу экстраполятора, а выход — к информационному входу счетчика числа нулей, выход которого соединен с первым информационным входом арифметического блока, второй, третий, четвертый, пятый и шестой информационные входы которого соединены соответственно с выходом регистра числа циклов, с входом константы 72/2 экстраполятора, с входом константы 1 экстраполятора, с входом константы 0,5 экстраполятора и входом константы 2 экстраполятора, выход арифметического блока соединен со вторым информационным входом регистра параметра адаптации, первый вход схемы сравнения соединен с выходом счетчика циклов, второй вход — с выходом регистра числа циклов, а выход — с первым управляющим входом блока синхронизации и через элемент НЕ с вторым управляющим вхо1652980

И 39 дом блока синхронизации, первый выход которого подключен к управляющему входу первого регистра и синхровходу второго блока вычитания, второй и третий выходы блока синхрониэации подключены соответственно к управляющему входу второго регистра и к счетному входу счетчика циклов, с четвертого по четырнадцатый выходы подключены соответственно к синхровходам с первого по одиннадцатый арифметического блока, пятнадцатый выход блока синхрониэации подключен к обнуляющим входам счетчика числа нулей, счетчика циклов и к управляющему входу регистра параметра адаптации, вход эапуска экстраполятора соединен с обнуляющими входами первого и второго регистров, второго блока вычитания, счетчика числа нулей и счетчика циклов и с входом начальной установки регистра числа циклов, информационный вход которого соединен с входом периода адаптации.

1652980

Фиг3

Составитель Л. Логачева

Техред Л.Олийнык Корректор А. Обручар

Редактор Т. Орловская

Закаэ 2189 Тираж 418 Подпи сно е

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-иэдательскнй комбинат "Патент", г.,Ужгород, ул. Гагарина, 101