Оптоэлектронный нечеткий процессор



Оптоэлектронный нечеткий процессор
Оптоэлектронный нечеткий процессор
Оптоэлектронный нечеткий процессор
Оптоэлектронный нечеткий процессор
Оптоэлектронный нечеткий процессор

 

G06F3 - Вводные устройства для передачи данных, подлежащих преобразованию в форму, пригодную для обработки в вычислительной машине; выводные устройства для передачи данных из устройств обработки в устройства вывода, например интерфейсы (пишущие машинки B41J; преобразование физических переменных величин F15B 5/00,G01; получение изображений G06T 1/00,G06T 9/00; кодирование, декодирование или преобразование кодов вообще H03M; передача цифровой информации H04L)

Владельцы патента RU 2445672:

Аллес Михаил Александрович (RU)
Соколов Сергей Викторович (RU)
Ковалев Сергей Михайлович (RU)

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет возможности выполнять в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности. Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит: оптоэлектронный дефаззификатор; m×n оптоэлектронных блоков фаззификации; m селекторов минимального сигнала; m оптоэлектронных блоков активизации; оптоэлектронный блок аккумуляции; j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения; электрооптический дефлектор; группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов; линейный оптический транспарант; оптический r-входной объединитель и связи между ними. 4 ил., 1 прилож.

 

Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики.

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009124196 от 24.06.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], выполняющий операцию фаззификации и содержащий источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группу оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, селектор минимального сигнала, оптический разветвитель.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], принятый за прототип. Оптоэлектронный дефаззификатор выполняет операцию фаззификации и содержит две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр, образующие оптический неопределенный интегратор, источник когерентного излучения, первый линейный оптический транспарант, группу оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группу оптических Y-объединителей, группу фотоприемников, группу нуль-индикаторов, шифратор.

Прототип является существенным признаком заявляемого изобретения.

Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, предназначенного для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 105-106 операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (а=1, 2, …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, …, m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; b=1, 2,, …, s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.

Оптоэлектронный нечеткий процессор - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.].

Функционирование оптоэлектронного нечеткого процессора представляет собой процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС). При выполнении алгоритма нечеткого-логического вывода Мамдани база продукционных правил в общем случае представлена MISO-структурой (multi-in, single-out), причем для построения и реализации оптоэлектронного нечеткого процессора должна быть дана полная, строго определенная и непротиворечивая база правил (смотри приложение 1) в соответствии с решением какой-либо конкретной прикладной задачи.

Алгоритм нечетко-логического вывода Мамдани включает в себя пять основных этапов [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.]:

1. Фаззификация - этап «введения нечеткости», процесс получения значения функции принадлежности нечеткого множества Аij,.соответствующего значению j-й входной переменной хj в предпосылке i-го нечеткого продукционного правила НПС (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n); степень истинности нечеткого высказывания «хj есть Аij» определяется значением функции принадлежности по аргументу хj;

2. Агрегирование - процесс определения степени истинности условия (антецедента) αi в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента αi в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «хj есть Аij»:

3. Активизация - процесс определения модифицированных функций принадлежностей выходной переменной y в заключении (консеквенте) каждого i-го правила НПС. В алгоритме Мамдани модификация функций принадлежностей выходной переменной y осуществляется на основе min-активизации: (i=1, 2, …, m);

4. Аккумуляция - процесс определения результирующей функции принадлежности µΣ(y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств по каждому i-му правилу НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме Мамдани процесс объединения функций принадлежностей выходной переменной y по каждому i-му правилу НПС осуществляется с использованием операции max-дизъюнкции: , (i=1, 2, …, m);

5. Дефаззификация - этап «приведения к четкости» или процесс определения четкого значения выходной у переменной НПС. В заявляемом устройстве при реализации алгоритма нечеткого вывода Мамдани используется дефаззификация по методу медианы:

где - Ymax, Ymin соответственно наименьшее и наибольшее значения аргумента функции µΣ(y) из области ее определения на базовой шкале OY.

Функциональная схема оптоэлектронного нечеткого процессора (ОЭНП) показана на фигуре 1.

Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит:

- 111, 121, …, 11n; 112, 122, …, 12n; …, 1m1, 1m2, …, 1mn - m групп по n оптоэлектронных блоков фаззификации (ОЭБФ);

- 21, 22, …, 2m - m селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];

- 31, 32, …, 3m - m оптоэлектронных блоков активизации (ОЭБАк);

- 4 - оптоэлектронный блок аккумуляции (ОЭБАкк);

- 5 - оптоэлектронный дефаззификатор (ОЭДФ), который может быть реализован в виде ОЭДФ, описанного в [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.].

Оптоэлектронный нечеткий процессор имеет n входов, то есть число входов равно количеству входных переменных НПС. Каждый j-й вход устройства подключен ко входу каждого ij-го ОЭБФ 1ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход ij-го ОЭБФ 1ij подключен к j-му входу i-гo CMC 2i (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход i-гo CMC 2i подключен ко входу каждого i-гo ОЭБАк 3i (i=1, 2, …, m).

Выход каждого i-гo ОЭБАк 3i подключен к i-му входу ОЭБАкк 4 (i=1, 2, …, m).

Выход ОЭБАкк 4 подключен ко входу ОЭДФ 5, выход которого является выходом устройства.

Функциональная схема ij-го ОЭБФ 1ij показана на фигуре 2.

Оптоэлектронный блок фаззификации содержит:

- 6 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 1 усл.ед.;

- 7 - электрооптический дефлектор (ЭОД);

- 81, 82, …, 8r - группу r равноудаленных от выхода ЭОД 7 оптических волноводов;

- 9 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, равной ;

- 10 - оптический r-входной объединитель.

Входом ij-го ОЭБФ 1ij является управляющий вход ЭОД 7, к информационному входу которого подключен выход ИИ 6. Выход ЭОД 7 оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 81, 82, …, 8r. Выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода 8а подключен через ЛОТ 9 к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го ОЭБФ 1ij (а=1, 2, …, r).

Функциональная схема i-го ОЭБАк 3i показана на фигуре 3.

Оптоэлектронный блок активизации содержит:

- 11 - управляемый источник оптического излучения (УИИ) с линейное передаточной характеристикой и коэффициентом передачи, равным s усл.ед. (под коэффициентом передачи понимается отношение величины интенсивности светового потока на выходе УИИ к величине электрического сигнала на его входе);

- 121 и 122 - первый и второй оптические s-выходные разветвители;

- 13 - ИИ с интенсивностью s усл.ед.;

- 14 - ЛОТ с функцией пропускания, равной ;

- 151, 152, …, 15s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];

Входом i-го ОЭБАк 3i является управляющий вход УИИ 11, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя 121. Каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя 121 подключен к первому входу соответствующего b-гo CMC 15b (b=1, 2, …s). Выход ИИ 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя 122, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему b-му входу ЛОТ 14 (b=1, 2, …s). Каждый b-й выход ЛОТ 14 подключен ко второму входу соответствующего b-гo CMC 15b (b=1, 2, …s). Выходы CMC 151, 152, …, 15s являются выходом i-го ОЭБАк 3i.

Функциональная схема ОЭБАкк 4 показана на фигуре 4.

Оптоэлектронный блок аккумуляции содержит:

- 16 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2×m×s усл.ед.;

- 17 - оптический m-выходной разветвитель;

- 181, 182, …, 18m - m оптических Y-разветвителей;

- 191, 192, …, 19m - m оптических фазовых модуляторов (ОФМ), каждый осуществляет сдвиг фазы поступающего на его вход оптического потока на угол π;

- 2011, 2012, …, 201m - первую группу по m оптических s-выходных разветвителей;

- 2021, 2022, …, 202m - вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей;

- 211, 212, …, 21m - m управляемых оптических транспарантов (УОТ), которые могут быть выполнены в виде электрически управляемых транспарантов, описанных в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - M.: Высшая школа, 1988. - 236 с, страница 75…79, рисунок 3.8, 3.9];

- 2211, 2212, …, 221s, 2221, 2222, …, 222s, …, 22m1, 22m2, …, 22ms - m групп по s оптических Y-объединителей;

- 231, 232, …, 23s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];

- 241, 242, … 24s - s блоков извлечения квадратного корня (БИК), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д];

- 251, 252, … 25s - s блоков вычитания (БВ), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. / Ж.Марше. - Л.: Издательство «Энергия», 1974. - 216 с. - стр.62, 63, 64, рисунки 5.10, 5.13].

Входами ОЭБАкк 4 являются входы УОТ 211, 212, …, 21m. Выход ИКИ 16 подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя 17, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя 18i (i=1, 2, …, m). Первый выход i-го оптического Y-разветвителя 18i подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 2011, 2012, …, 201m (i=1, 2, …, m). Второй выход i-го оптического Y-разветвителя 18i подключен ко входу i-го ОФМ, выход которого подключен ко входу 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i; из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 2021, 2022, …, 202m (i=1, 2, …, m). Выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 2011, 2012, …, 201m подключены к соответствующим входам i-го УОТ 21i, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22i1, 22i2, …, 22is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m). Выходы 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 2021, 2022, …, 202m подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22i1, 22i2, …, 22is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m). Выход ib-го оптического Y-объединителя 22ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23b (i=1, 2, …, m; b=1, 2,, …, s). Выходы CMC 231, 232, …, 23s подключены ко входам соответствующих БИК 241, 242, …, 24s. Выходы БИК 241, 242, …, 24s подключены ко входам соответствующих БВ 251, 252, …, 25s, выходы которых являются выходом ОЭБАкк 4.

Работа оптоэлектронного нечеткого процессора происходит в соответствии с пятью вышеуказанными этапами нечетко-логического вывода Мамдани и протекает следующим образом.

Первым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап фаззификации. При этом на вход устройства подаются значения входных переменных НПС x1, x2, …, xn в виде электрических сигналов напряжения (тока). Каждый такой j-й сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной xj, поступает на вход ij-го ОБФ 1ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Работа ij-го ОБФ 1ij протекает следующим образом. На информационный вход ЭОД 7 с выхода ИИ 6 постоянно поступает точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. При отсутствии сигнала на управляющем входе ЭОД 7 (то есть на входе ОЭБФ) оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 7, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 81, 82, …, 8r и поглощается. При поступлении на управляющий вход ЭОД 7 электрического сигнала, пропорционального значению j-й входной переменной xj, этот электрический сигнал отклоняет точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. на угол φ~arcsin(k·xj), где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора. Смещение Δх точечного оптического потока относительно оси ОХ при этом равно:

Δх=L·sin(φ)=a·k·xj,

где L - расстояние от выхода ЭОД 7 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 81, 82, …, 8r.

Так как входы оптических волноводов 81, 82, …, 8r равноудалены от выхода ЭОД 7, то L=const и, следовательно:

Δх=L·k·xj=К·xj.

Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. попадет на вход а-го равноудаленного оптического волновода 8а (а=1, 2, …r), если на входе ЭОД 7 присутствует электрический сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной xj.

Далее оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед. с выхода а-го равноудаленного оптического волновода 8а (а=1, 2, …r) поступает на а-й вход ЛОТ 9, с а-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности нечеткого множества Аij, соответствующей j-й входной переменной xj. Этот оптический поток поступает на а-й вход оптического r-входного объединителя, с выхода которого снимается оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности нечеткого множества Аij, соответствующей j-й входной переменной хj. На этом первый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора завершается.

На втором этапе функционирования устройства выполняется этап агрегирования, результатом которого будет определение степени истинности антецедента αi в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента αi в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям « есть Аij»: , (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n). Вычисление значения αi в i-м правиле осуществляет i-й CMC 2i, работа которого описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.]. На каждый j-й вход i-гo CMC 2i с выхода ij-го ОБФ 1ij подается сигнал в виде напряжения со значением, пропорциональным . На выходе i-гo CMC 2i формируется сигнал в виде напряжения (тока), пропорционального значению αi. На этом завершается второй этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.

Третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап активизации правил НПС. Процесс определения модифицированных функций принадлежности выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС в алгоритме Мамдани осуществляется на основе min-активизации: , (i=1, 2, …, m). Для выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС модифицированная функция принадлежности определяется i-м ОЭБАк 3i (i=1, 2, …, n). Работа i-го ОЭБАк 3i происходит следующим образом. При поступлении на управляющий вход УИИ 11 сигнала от CMC 2i в виде электрического напряжения (тока) величиной, пропорциональной αi усл.ед. (что соответствует степени истинности условия (антецедента), в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m)) УИИ 11 на своем выходе формирует оптический поток с интенсивностью, равной αi×s усл.ед., который поступает на вход первого оптического s-выходного разветвителя 121, на каждом выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, равной αi усл.ед. Совокупность из s таких оптических потоков поступает на первые входы CMC 151, 152, …, 15s. Одновременно, с выхода ИИ 13 оптический поток с интенсивностью s усл.ед. поступает на вход второго оптического s-выходного разветвителя 122, на каждом выходе которого формируется оптический поток единичной интенсивности. Совокупность этих единичных оптических потоков поступает на входы ЛОТ 14, на выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной , то есть равной функции принадлежности терма выходной переменной y в i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). Этот оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной , поступает на вторые входы CMC 151, 152, …, 15s. Работа b-гo CMC описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.] (i=1, 2, …, m, b=1,2,, …, s). Следовательно, на выходах CMC 151, 152, …, 15s формируется s электрических сигналов: на выходе ib-гo CMC 15ib формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна , то есть значению функции принадлежности для конкретного b-го значения выходной переменной y (i=1, 2, …, m, b=1,2,, …, s). Совокупность этих сигналов в виде вектора электрических сигналов напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной , поступает с выхода i-го ОЭБАк 3i на i-й вход ОЭБАкк 4. На этом завершается третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.

Четвертый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап аккумуляции, то есть процесс определения результирующей функции принадлежности µΣ(y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств по каждому i-му правилу НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме Мамдани процесс объединения функций принадлежностей выходной переменной y по каждому i-му правилу НПС осуществляется с использованием операции max-дизъюнкции: (i=1, 2, …, m). Этап аккумуляции осуществляет ОЭБАкк 4, который функционирует следующим образом. На входы ОЭБАкк 4 с выходов ОЭБАк 31,32, …, 3m подаются модифицированные функции принадлежности в виде совокупности электрических сигналов напряжений, величинами, распределенных вдоль оси OY и пропорциональных . При этом на i-м входе ОЭБАкк i-й входной сигнал в виде электрического напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной , поступает на входы i-го УОТ 21i. Одновременно, с выхода ИКИ 16 оптический когерентный поток с амплитудой 2×m×s усл.ед. поступает на вход оптического m-выходного разветвителя 17, на каждом i-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, равной 2×s усл.ед. (i=1, 2, …, m). Такой оптический поток поступает на вход i-го оптического Y-разветвителя 18i. С первого выхода последнего оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Следовательно, на каждый b-й вход i-го УОТ 21i поступает оптический поток с амплитудой 1 усл.ед., и, с учетом того, что на b-й управляющий вход i-го УОТ 21i поступает управляющий электрический сигнал напряжения величиной, пропорциональной , то на b-м выходе i-го УОТ 21i формируется оптический поток с амплитудой, равной (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Этот оптический поток поступает на первый вход ib-го оптического Y-объединителя 22ib (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Также, со второго выхода i-го оптического Y-разветвителя 18i оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход i-го ОФМ 19i, который поворачивает фазу поступающего оптического потока на угол π (i=1, 2, …, m). Далее, этот инвертированный оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s). Каждый такой i-й инвертированный единичный поток поступает на второй вход ib-го оптического Y-объединителя 22ib (i=1, 2,, …, m, b=1, 2,, …, s).

Следовательно, на первом входе ib-го оптического Y-объединителя 22ib присутствует оптический поток с амплитудой , а на втором входе - оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. с инвертированной фазой (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Так как выход ib-го оптического Y-объединителя 22ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23b, то на i-м входе последнего поступающие с выхода ib-го оптического Y-объединителя 22ib оптические потоки, интерферируя, формируют оптический поток с интенсивностью усл.ед. (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Работа b-гo CMC 23b описана в [а.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.].

Таким образом, с выхода b-гo CMC 23b снимается сигнал в виде электрического напряжения, величина которого пропорциональна (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Для последующего описания работы устройства следует иметь в виду, что в силу неравенства (по определению ), минимум значения функции определен для того же значения аргумента уb, что и максимум , (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

Выходной сигнал b-гo CMC 23b поступает на вход b-гo БИК 24b, работа которого описана в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д] (i=1, 2, …, m, b=1, 2,, …, s).

С выхода b-гo БИК 24b сигнал, пропорциональный минимальному (для всех b) сигналу , поступает на вход b-гo БВ 25b, в котором поступивший сигнал вычитается из единицы (b=1, 2,, …, s). Таким образом, на выходе b-гo БВ 25b формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна

для конкретного значения уb (b=1, 2,, …, s).

Следовательно, на выходах всех БВ 251, 252, … 25b - на выходе ОЭБАкк 4, формируется вектор электрических сигналов с напряжениями, распределенными по оси ОХ и пропорциональными функции принадлежности µΣ(yb), соответствующей результату этапа аккумуляции. На этом четвертый этап работы ОЭНП завершается.

Пятым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап дефаззификации, который выполняет ОЭДФ 5, работа которого описана в [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], осуществляющий процесс определения четкого значения выходной у в соответствии с выражением (1). При этом на выходе ОЭДФ 5 формируется двоичное число, соответствующее значению (номеру) четкого значения на базовой шкале OY выходной переменной y из условия, что является результатом нечетко-логического вывода по алгоритму Мамдани, реализованного в виде НПС, описанной в приложении 1.

Таким образом, ОЭНП осуществляет процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС) при выполнении алгоритма нечетко-логического вывода Мамдани с MISO-структурой.

Быстродействие оптоэлектронного нечеткого процессора определяется динамическими характеристиками составляющих его блоков и узлов, в частности:

- электрооптического дефлектора, входящего в состав оптоэлектронного блока фаззификации,

- селекторов минимального сигнала, которые также входят в состав оптоэлектронных блоков активизации и оптоэлектронного блока аккумуляции;

- управляемых источников оптического излучения, входящих в состав оптоэлектронных блоков активизации;

- управляемых оптических транспарантов, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;

- блоков извлечения квадратного корня и блоков вычитания, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;

- оптоэлектронного дефаззифкатора.

Быстродействие электрооптических дефлекторов может достигать 10-12 с. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80..100 пс. Управляемые источники оптического излучения, выполненные на основе полупроводниковых источников света, обладают быстродействием порядка 10-9 с. Управляемые оптические транспаранты, изготовленные на основе PLZT-керамики или на основе жидких кристаллов, имеют быстродействием порядка 10-6 с. Блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, выполняемые в традиционном варианте на основе операционных усилителей с обратной связью, имеют частоту среза до 1 МГц. Быстродействие оптоэлектронного дефаззифкатора составляет порядка 10-6 с.

Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Приложение 1

База правил нечеткой продукционной системы MISO-структуры

Правило 1: ЕСЛИ х1 есть А11 И х2 есть А12 И…И хn есть А1n, ТО y есть В1;

Правило 2: ЕСЛИ х1 есть A21 И х2 есть А22 И…И xn есть А2n ТО y есть В2;

Правило i: ЕСЛИ х1 есть Аi1 И х2 есть Аi2 И…И xn есть Аin, ТО y есть Вi;

Правило m: ЕСЛИ х1 есть Аm1 И х2 есть Аm2 И…И хm есть Аmn, ТО y есть Вm.

где x1, х2, …, xn - n входных переменных нечеткой продукционной системы;

Аij - терм j-й входной переменной хj в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n);

y - выходная переменная нечеткой продукционной системы;

Вi - терм выходной переменной y в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности (i=1, 2, …, m).

Оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, отличающийся тем, что в него введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого a-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к a-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (a=1, 2, …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен kj-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, …s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, …, m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, …, m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, …, m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, …, m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; b=1, 2, …, s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к графическому пользовательскому интерфейсу (GUI). .

Изобретение относится к области терминалов мобильной связи, имеющих устройство ввода для ввода различной информации. .

Изобретение относится к средствам отображения аудиовизуальной информации. .

Изобретение относится к средствам показа документа, отображаемого электронным устройством. .

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при проектировании систем управления исследовательскими процессами, в частности, при разработке автоматизированного комплекса, предназначенного для определения физико-механических свойств материалов методом кинетического индентирования

Изобретение относится к устройствам ввода

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при проектировании системы управления исследовательскими процессами, в частности, при разработке автоматизированной системы кинетического индентирования, предназначенной для определения физико-механических свойств материалов

Изобретение относится к компьютерной технике и может быть использовано для связи хост-компьютера с многофункциональной картой памяти

Изобретение относится к области цифровой печати и может быть использовано для черновой печати и экономии краски

Изобретение относится к устройствам ввода

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для перемещения курсора, управления ориентацией изображений подвижных объектов на экране монитора в морских, корабельных системах отображения информации

Изобретение относится к области пользовательских интерфейсов и управлению электронным устройством пользователем
Наверх