Адаптивное устройство для обработки данных

 

Сущность изобретения: устройство содержит блок 1 элементов И, минимаксный фильтр 2 Калмана, блок 3 расчета коэффициента коррекции, блок 4 расчета апостериорной матрицы ковариации, два блока 5 и 25 элементов задержки, девять умножителей 6, 9, 10, 15, 17, 19, 22, 23 и 24, четыре сумматора 11, 12, 13 и 18, блок 14 памяти матрицы коэффициентов системы, блок 16 памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений , блок 20 памяти границы неопределенности переходной матрицы, блок 21 памяти предполагаемой переходной матрицы, блок 26 управления, блок 27 памяти переходной матрицы системы. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИК (я)л G 05 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4820593/24 (22) 22.02,90 (46) 15.06.92; Бюл. ¹ 22. (72) В.В.Бетанов, А.С.Бурый и В,А.Петров (53) 62 — 50(088.8) (56) Хачинсон, Д Апполито, Бонджиовани, Минимаксное проектирование фильтров

Калмановского типа при наличии неопределенности параметров системы, — Ракетная техника и космонавтика, том 11, ¹5,,1973, ".150-157. (54) АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ,, Ж„„1741698 А1 (57) Сущность изобретения: устройство содержит блок 1 элементов И, минимаксный фильтр 2 Калмана, блок 3 расчета коэффициента коррекции, блок 4 расчета апостериорной матрицы ковариации, два блока 5 и 25 элементов задержки, девять умножителей 6, 9, 10, 15, 17, 19, 22. 23 и 24, четыре сумматора 11, 12, 13 и 18, блок 14 памяти матрицы коэффициентов системы, блок 16 памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений, блок 20 памяти границы неопределенности переходной матрицы, блок 21 памяти предполагаемой переходной матрицы, блок 26 управления, блок 27 памяти переходной матрицы системы. 4 ил, 1741098

Изобретение относится к линейным устройствам калмановского типа для обработки данных в реальном масштабе времени в условиях неопределенности задания априорной информации.

Известен фильтр Калмана для обработки данных, содержащий сумматоры, блоки умножения, деления и блоки памяти.

Недостатком этого фильтра является низкая точность обработки данных вследствие расходимости .оценок вектора состояния при наличии неопределенности в задании априорной информации о моделях систем и измерений, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, содержащее дискретный минимаксный фильтр Калмана, блок расчета коэффициента коррекции, блок расчета апостериорной матрицы ковариации, первый блок оперативной памяти, первый, второй и третий блоки памяти, первый, второй,. третий и четвертый блоки умножения и первый сумматор, первый вход которого подключен к выходу четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к ыходу второго блока памяти, а второй вход — к выходу третьего блока умножения, первый и второй входы третьего блока умножения подключены соответственно к выходам третьего и второго блоков памяти, второи вход первого сумматора подключен к выходу второго блока умножения, первый вход которого поключен к выходу первого блока памяти, а второй вход — к выходу первого блока умножения, первый вход блока умножения подключен к выходу первого блока памяти, а второй — к выходу первого блока оперативной памяти, вход первого блока оперативной памяти подключен к выходу блока расчета апостериорной матрицы ковариации, первый вход которого подключен к выходу блока расчета коэффициента коррекции, выход первого сумматора подкл ючен к входу блока расчета коэффициента коррекции, выход которого подключен к первому входу дискретного минимаксного фильтра Калмана.

Известное устройство проводит обработку данных в соответствии с формулой

XM(k/k) = Ф(1<, k 1) X (k 1/k — 1)+

+ K (k/k) (Z Н Ф(К k — 1) Х (k — 1/k — 1)), (1) где X>(k/k) — минимаксная оценка вектора состояния в k-й момент времени;

Н вЂ” измерительная матрица;

Ф(К k-1) — переходная матрица системы;

Zl< — вектор измерений в k-й момент времени;

5 KM(k/k) — минимаксный матричный коэффициент усиления (коррекции), определяемый соотношением

K (k/k) =(М / - ) Н (Н (М / )„Н + В) " (г)

10 где R — матрица интенсивности шумов измерения; (MkIk-1) — минимаксная априорная матрица ковариации ошибки оценки;

15 знак Т вЂ” транспонирование матрлц, Его недостатком является то, что обработка данных осуществляется с учетом неопределенности задания характеристик шумов системы и измерений и не учитыва20 ются неопределенности в задании переходной матрицы системы Ф(Ц<-1). Поэтому при наличии неопределенности в задании переходной матрицы системы точность обработки данных начинает ухудшаться, а дискретный

25 минимаксный фильтр Калмана расходится.

Цель изобретения — повышение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивное устройство для обработ30 ки данных, содержащее последовательно соединенные блок памяти матрицы интенсивности шумов системы, первый и второй умножители, первый сумматор, блок памяти матрицы коэффициентов системы, подклю35 ченный выходом к вторым входам первого и второго умножлтелей, блок памяти и редполагаемой переходной матрицы, соединенный выходом через третий умно>китель с первым входом четвертого умножителя и не40 посредственно с вторым его входом, выход четвертого умно>кителя подключен к второму входу первого сумматора, минимаксный фильтр Калмана, соединенный первым входом с выходом блока расчета коэффициента

45 коррекции и первым входом блока расчета апостериорной матрицы ковариации, второй вход которого подключен к первому входу блока расчета коэффициента коррекции и первому выходу блока памяти измерительной

50 матрицы и матрицы шумов измерений, третий вход — к второму выходу блока памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений и вторым входом блока расчета коэффициента коррекции и минимаксного

55 фильтра Калмана, а выход через первый блок элементов задержки — к второму входу третьего умножителя, введены блок элементов И, квадратор, три сумматора, с пятого по девятый умножители, блок памяти границы не1741098 определенности нормы переходной матрицы, блок памяти переходной матрицы системы, второй блок элементов задержки, первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходами первого и третьего сумматора, а выход — с входом второго блока элементов задержки, третьим входом блока расчета коэффициента коррекции и четвертым входам блока расчета апостериорной матрицы ковариации, выход блока памяти предполагаемой переходной матрицы через пятый умножитель подключен к первому входу четвертого сумматора, к второму входу которого через шестой умножитель подключен выход блока памяти границы неопределенности нормы переходной матрицы, соединенный также через последовательно соединенные квадратор и седьмой умножитель с первым входом третьего сумматора, подключенного вторым входом к выходу четвертого сумматора, выход второго блока элементов задержки соединен с вторым входом седьмого умножителя, выход блока памяти предполагаемой переходной матрицы подключен также к первому входу девятого умножителя, соединенного вторым входом с выходом первого блока элементов задержки и первым входом восьмого умножителя, а выходом — с вторым входом шестого умножителя, второй вход пятого умножителя подключен к выходу восьмого умножителя, соединенного вторым входом с выходом блока памяти границы неопределенности нормы переходной матрицы, первый выход блока управления подключен к управляющему входу блока расчета коэффициента коррекции, первому входу блока элементов И и входу-разрешения с итывания блока памяти переходной матрицы системы, соединенному адресным входом с вторым выходом блока управления, а выходом — c третьим входом минимаксного фильтра Калмана, подключенного четвертым входом к выходу блока элементов И, второй вход блока элементов И и выход минимаксного фильтра

Калмана являются соответственно информационным входом и выходом устройства, Такая совокупность признаков предлагаемого устройства позволяет, по сравнению с прототипом, повысить точность обработки данных в условиях неопределенности задания переходной матрицы системы за счет учета неопределенности в задании переходной матрицы системы

Ф(К k — 1) и дополнительного введения в устройство второго блока задержки, двух блоков памяти, квадратора, блока элементов И,. пяти умножителей, блока управления, второго, третьего, четвертого сумматоров, сое(Mk/k 1)м = +(+k-1/k-1)м Ф +

+ 0 + (Dk — 1)м (3) 20 где (Dk-1)M = / (МК-1/k-1)м+ A (Mk-1/k-1) Фт+

+ Л ФФ -1/k-1)M (4)

à — матрица системы;

Л вЂ” положительное число, определяющее верхнюю границу неопределенности нормы матрицы перехода, а именно

30 !!аФ!! h, (Mk/k) — минимаксная апостериорная матрица ковариации ошибки оценки, определяемая выражением (М /К)м =- (1 — (K(k/k))M H) (Mk/k-1)м (1— — H)T + (К(к) * (К(/k) т

40 где 1 — единичная матрица;

R — матрица интенсивности шумов измерений;

Q — матрица интенсивности шумов системы.

На фиг,1 изображена функциональная . схема предлагаемого устройства; на фиг,2— схема блока расчета коэффициента коррекции; на фиг.3 — схема блока расчета апостериорной матрицы ковариации; на фиг.4— схема минимаксного фильтра Калмана, Адаптивное устройство для обработки данных содержит блок l элементов И, минимаксный фильтр 2 Калмана, блок 3 расчета коэффициента коррекции, блок 4 расчета апостериорной матрицы ковариации, второй блок 5 элементов задержки, седьмой умножитель 6, квадратор 7. блок 8 памяти матрицы интенсивности шумов системы, первый 9 и второй 10 умножители, первый— диненных особым образом, указанным в формуле изобретения.

Указанные существенные отличия позволяют нэ каждом шаге оценивания рассчиты5 вать минимаксную априорную матрицу ковэриации ошибки оценки с учетом неточности задания переходной матрицы системы, При этом повышается вес каждого текущего измерения, в силу чего устраняется расходи10 масть дискретного минимаксного фильтра

Калманэ.

Устройство осуществляет расчет минимаксной априорной матрицы ковариации по формуле

1741098 третий сумматоры 11 — 13, блок 14 памяти матрицы коэффициентов системы, четвертый умножитель 15, блок 16 памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений, пятый умножитель 17, четвертый сумматор 18, шестой умножитель 19, блок 20 памяти границы неопределенности переходной матрицы, блок 21 памяти предполагаемой переходной матрицы, третий

22, восьмой 23, девятый 24 умножители, первый блок 25 элементов задержки, блок

26 управления, блок 27 памяти переходной матрицы системы.

Блок 3 содержит первый — третий умножители 28-30, блок 31 регистров, сумматор

32, делитель ЗЗ (фиг,2).

Блок 4 содержит первый — третий умножители 34-36, вычитагель 37, сумматор 38 (фиг,З), В минимаксном фильтре 2 Калмана в качестве усилителя используется матричный умножитель (цифровой аналог усилителя), Он содержит (фиг.4) вычитатель 39, первый 40, второй 41, третий 42 умножители, сумматор 43, блок 44 элементов задержки. Первая группа входов фильтра 2 подк;. очена к умножителю 40, вторая — к умножителю 41, третья — к умножителю 42, четвертая — к вычитателю 39, Блок 26 управления реализован в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов и счетчика, Генератор осуществляет управление поступлением обрабатываемой информации в устройство, записью данных в блок 31, а счетчик обеспечивает управление адресными входамл блока 27.

Блок 27,может быть выполнен на MKC

Е155РУ2. Запись данных в блок 27 производится до начала работы устройства, а сигналом разрешения считывания данных может служить сигнал с выхода генератора, блока

26: в прямом виде на вводе 3 указанной микросхемы и в инвертированном — на Bsoде 2.

Блок 16 памяти представляет собой объединение двух блоков памяти (регистров памяти), в каждом из которых хранится информация, записанная перед началом цикла обработки, Второй вход блока 1 является информационным входом всего устройства, первый вход. блока 1 соединен с первым выходом блока 26, который соединен также с входом считывания блока 27, адресный вход которого соединен с вторым выходом блока 26, выход блока 27 подключен к третьему входу фильтра 2, четвертый вход которого соединен с выходом блока 1, а второй вход соединен с вторым выходом блока 16, который также соединяется с вторым входом блока 3 и с третьим входом блока 4, управляющий вход блока 3 подключен к первому выходу блока 26, а первый вход подкл очен к первому выходу блока 16, который также соединяется с вторым входом блока 4, четвертый вход которого, как и третий вход блока 3, подключен к выходу сумматора 12, с которым также соединяется вход блока 5. выход

10 которого подключен к второму входу умно-. жителя 6, первый вход его подключен к вы15

55 ходу квадратора 7, а выход соедлнен через первый вход сумматора 13 с вторым входом сумматора 12, первый вход которого подключен к выходу сумматора 11; на входы которого подключены выходы умножителей

10 и 15, на первый вход первого из них подключается через умно>китель 9 выход блока 8, на другие входы умножителей 9 и

10 подключен выход блока 14, на первый вход умножителя 15 подключен выход умножителя 22, а на оставшиеся входы умножителей 15 и 22 подключен выход блока 21. который соединяется также через первый вход умножителя 17 с первым входом сумматора 18 и через первый вход умножителя

24 — с вторым входом умножителя 19, на первый вход которого подключен выход блока 20, который соединяется также с входом квадратора 7 и вторым входсм умножителя 23, íà первый вход которого, как и на соответствующие входы умножителей 24 и

22, подключен выход блока 25, вход которого соединен с выходом блока 4, выходы умножителей 23 и 19 соединены с вторыми входами блоков 17 и 18 соответственно, а выход последнего подключен к второму входу сумматора 13, первые входы фильтра 2 и блока 4 соединены с выходом блока 3, а выход флльтра 2 является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом.

В блоки 21, 14, 8, 16, 20 и 27 записываются пакеты сигналов, пропорциональные соответственно элементам предполагаемой матрицы системы Ф матрицы системы Г, матрицы интенсивностей шумов системы Q, измерительная матрица Н и матрица интенсивностей шумов измерений

R, верхняя граница неопределенности нормы матрицы перехода Л, переходная матрица системы Ф, В устройстве организован синхронный принцип накопления, вычисления и хранения информации и использован конвейерный режим работы. При этом режим

"накачки" входными сигналами определяется временем выполнения самого процесса

1741098

10 мирует пакет сигналов, nðoïoðöèoíàëüíûõ 55 произведению матриц Г Q, который поступает в умножитель 10, формирующий пакет сигналов, пропорциональных произведению матриц Г0 Г, который поступает в вычисления. С такой же скоростью выдаются результаты вычислений. В приведенной структуре производится обработка сигналов в каждом блоке по мере их накопления во входных регистрах. Таким образом, различные элементы устройства осуществляют одновременно обработки сигналов по своим алгоритмам с различным временем окончания работы, и затем передают результаты оешений на следующие блоки, работа которых начинается после получения сигналов, пропорциональных предыдущим значениям вычисленных данных.

В момент включения в блоках памяти записаны соответствующие матрицы, в регистрах блока 3 — "0". счетчик в блоке 26 обнулен. С появлением первого импульса на первом выходе блока 26 открываются элементы И блока 1, после чего входной сигнал Zk поступает на фильтр 2, на третий вход которого поступают составляющие матрицы с блока 27 под управлением на его адресные входы с выходов (2 — n + 1) блока

26. На второй и первый входы фильтра 2 поступают сигналы с блоков 16 (матрица Н) и 3 — K<(k/k), Пакет сигналов, пропорциональных элементам матрицы M(k/k)M, сформированной в блоке 4, поступает в блок 25 элементов задержки. Причем блок 4 осуществляет преобразования в соответствии с уравнением (5). На выходе вычитателя 37 вырабатывается сигнал, пропорциональный выражению (1- K (k/k)). Операция транспортирования в умножителях 35 и 36 осуществляется за счет соответствующей коммутации второй группы входов умножителей относительно первой. На выходе сумматора 38 вырабатывается матрица (М /к)м, которая поступает в блок 25, Одновременно с выхода блока 25 в умножители 22 — 24 поступает кодовая комбинация, пропорциональная элементам матрицы (Mk 1/k 1)м, соответствующая предыдущему такту работы. Элементы матрицы Фс блока 21 действуют на соответствующие входы умножителей

22 и 24. После умножения в умножителе 15 формируется матрица Ф(Mk-t/k-t)M Ф>, сигнал которой поступает на сумматор 11, Пакет сигналов, пропорциональных элементам матрицы системы Г . с блока 14 поступает одновременно в умно>кители 9 и 10. Сигналы, пропорциональные элементам матрицы интенсивностей шумов системы Q, с блока

8 поступают в умножитель 9, который фор10

50 сумматор t1, Сумматор 11 формирует пакет сигналов, пропорциональных сумме произведений матриц Ф(М -1/k-1) «Ф + ГQ Г, который поступает в сумматор 12.

Сигнал, пропорциональный величине

Л, с блока 20 памяти одновременно поступает в умножители 23 и 19. Умножитель 23 формирует пакет сигналов, пропорциональных элементам матрицы h (Mk-1д,-1)», который поступает на умножитель 17. Пакет сигналов, пропорциональных элементам матрицы Ф, поступает в умножитель 17, формирующий пакет сигналов, пропорциональных элементам произведения матриц

Л(Мк-1/,,-1) » ч>, который поступает на сумматор 18.

Умножитель 24 формирует пакет сигналов, пропорциональных элементам пролзведения матриц Ф(М -1/k 11»т, который поступает в умножитель 19, формирующий пакет сигналов, пропорциональных элементам произведения матриц ЛФ(М -1/k-1)м, которы л поступает в сумматор 18. Сумматор

18 формирует пакет сигналов, пропорциональных элементам суммы произведений матриц

Л {Mk 1/К-1)» Ф+ Л Ф(М -1/k-1)»т, КатарЫй поступает на сумматор 13. С выхода блока 5 пакет сигналов, пропорциональных элементам матрицы (Мк-1/к-2)v рассчитанный на предыдущем такте, поступает в умножитель б. Сигнал, пропорциональный величине Л, с квадратора 7 поступает в

2 умножитель б, формирующий пакет сигналов, пропорциональных элементам матри2 цы Л (Мк-t/k-2)M, который поступает на сумматор 13. Сумматор 13 формирует пакет сигналов, пропорциональных элементам суммы произведений матриц (Оk-1)л = Л (Mk — 1/k — 2)м+ Л(мк — 1/k-1)м Ф +

+ ФЛ (Mk 1/k 1)м, который поступает в сумматор 12, Сумматор 12 формирует пакет сигналов, пропорциональных элементам минимаксной матрицы {М /k-1)„, который поступает в блок 4 расчета минимаксной апостериорной матрицы ковариации, блок 3 расчета коэффициента коррекции и в блок 5 для задержки на один такт. В блоке 3 осуществляется преобразование в соответствии с выражением (2). На выходе умножителя 29 вырабатывается сигнал, пропорциональный выражению (Mk/k-t)> Н, а на выходе делителя ЗЗ вЂ” сигнал, пропорциональный выражению в фигурных скобках уравнения (2).

Таким образом, в умножителе 30 формируется сигнал. соответствующий KM{k/k), который записывается в блок 31 под управлением тактового сигнала с первого выхода блока 26 управления. С блока 31 ве1741098

12 личина K(k/k) поступает на первый вход блока 2 для обеспечения обработки в соответствии с алгоритмом (1) и на первую группу входов блока 4.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает более высокой точностью обработки входных сигналов, обусловленной дополнительным изменением на каждом шаге обработки матричного коэффициента коррекции фильтра Калмана за счет учета неточности задания переходной матрицы системы. При этом процессе формирования оценки сигнала придается больший вес априорным данным, в частности модели системы, неверное задание переходной матрицы которой приводит к расхождению фильтра Калмана.

Можно показать, что ограничение снизу коэффициента коррекции К;,(k!k) величиной, например, 1/Е приводит к следующей зависимости погрешности оценки

Е(Х(М)) =- (1 — 1/3 ) C(1+L)/2, где С, — некоторые постоянные величины.

Тогда при увеличении количества измерений погрешность оценки стремится к нулю и фильтр не расходится.

Величина добавки к коэффициенту коррекции зависит от верхней границы неопределенности задания нормы переходной матрицы системы и выбирается исходя из минимизации следа матрицы ковариации ошибки оценки при максимально возмо>кной неопределенности задания нормы переходной матрицы системы.

Формула изобретения

Адаптивное устройство для обработки данных, содержащее последовательно соединенные блок памяти матрицы интенсивности шумов системы, первый и второй умножители, первый сумматор, блок памяти матрицы коэффициентов системы, подключенный выходом к вторым входам первого и второго умножителей, блок памяти предполагаемой переходной матрицы, соединенный выходом через третий умножитель с первым входом четвертого умно>кителя и непосредственно с вторым его входом, выход четвертого умножителя подключен к второму входу первого сумматора, минимаксный фильтр Калмана, соединенный . первым входом с выходом блока расчета коэффициента коррекции и первым входом блока расчета апостериорной матрицы ковариации, второй вход которого подключен к первому входу блока расчета коэффициента коррекции и первому выходу блока памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений, третий вход — к второму выходу блока памяти измерительной матрицы и матрицы шумов измерений и вторым входом блока расчета коэффициентов кор5 рекции и минимаксного фильтра Калмана, а выход через первый блок элементов задержки — к второму входу третьего умножителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, введены

10 блок элементов И, квадратор, три сумматора, с пятого по девятый умножители, блок памяти границы неопределенности нормы переходной матрицы, блок памяти переходной матрицы системы, второй блок элемен15 тов задер>кки, первый и второй входы второго сумматора соединены соответственно с выходами первого и третьего сумматоров, а выход — с входом второго блока элементов задер>кки, третьим входом блока

20 расчета коэффициента коррекции и четвертым входом блока расчета апостериорной матрицы ковариации, выход блока памяти предполагаемой переходной матрицы через пятый умножитель подключен к первому

25 входу четвертого сумматора, к второму входу которого через шестой умножитель подключен выход блока памяти границы неопределенносги нормы переходной матрицы, соединенный также через последова30 тельно подключенные квадратор и седьмой умножитель с первым входом третьего сумматора, подключенного вторым входом к выходу четвертого сумматора, выход второго блока элементов задер>кки соединен с

35 вторым входом седьмого умножителя, выход блока памяти предполагаемой переходной матрицы подключен также к первому входу девятого умножителя, соединенного вторым входом с выходом первого блока

40 элементов задержки и первым входом восьмого умножителя, а выходом — с вторым входом шестого умножителя, второй вход пятого умно>кителя подключен к выходу восьмого умножителя, соединенного вто45 рым входом с выходом блока памяти границы неопределенности нормы переходной матрицы, первый выход блока управления подключен к управляющему входу блока расчета коэффициента коррекции, первому

50 входу блока элементов И и входу разрешения считывания блока памяти переходной матрицы системы, соединенного адресным входом с вторым выходом блока управления, а выходом — с третьим входом минимак55 сного фильтра Калмана, подключенного четвертым входом к выходу блока элементов И, второй вход блока элементов И и выход минимаксного фильтра Калмана являются соответственно информационным входом и выходом устройства.

1741098

Составитель В.Бетанов

Редактор M,Êîáûëÿíñêàÿ Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т.Ланская

Заказ 2084 Тираж Подписное

ВКИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

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