Анализатор случайных процессов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социапистических

Республик рп813472

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное н авт. саид-ву— (22) Заявлено 27.12.78 (23)2708718/18-24 с присоединением заявки ¹â€”

{я)м. кл.

G "06 G 7/52

Государственный коиитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 150 381. Бюллетень N9 10

Дата опубликования описания 200381

{53) УДК б81. З (088. 8) (72) Авторы изобретения

А. В. 1Местопалов и В. Г. Эйхгорн

I (7 3 ) Заявитель (54 ) АНАЛИЭАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к специализированным вычислительным устройствам, предназначенным для анализа статистических свойств случайных процес5 сов и их оценок.

В ряде случаев сигналы, характеризующие некоторый процесс, поведение объекта или системы в некоторые неизвестные моменты времени могут изменять свои статистические свойства.

Причинами этих изменений могут быть нестабильность характеристик контрольной и регистрирующей аппаратуры, ненормальность функционирования самих наблюдаемых объектов, а также влияние некоторого внешнего фактора или события.

Аномальные участки сдучайного процесса, не свойственные статистической структуре сигналов системы, мо- 20, гут при их неучете привести к грубым погрешностям при оценке характеристик изучаемых систем (в особенности при автоматической обработке данных) и к ложным выводам при интерпретации по25 лучаемых результатов. В этих случаях желательна автоматическая проверка гипотезы о наличии момента изменения свойств наблюдаемого процесса, т. е. момента "разладки" процесса.. Так как преобразование сигналов различной физической природы к виду электрических не представляет затруднений, рассмотрим устройства, оценивающие статистические свойства электрических сигналов.

Известны устройства для оценки статистических свойств электрических сигналов путем вычисления функций. распределения корреляционных функций P1) ..

Наиболее близким к предлагаемому является анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, вычислитель текущего среднего и текущей дисперсии, блок деления, управляющее устройство, амплитудный селектор и блок регистрации с двумя выходами, тозволяющий выделять одиночные аномальные выбросы в реализации случайного процесса, исключать их, изменяя на текущее среднее значение и фиксировать момент их появления P) .

Недостатком такого анализатора является то, что когда аномальные результаты не являются одиночными выбросами, а отражают закономерное его йзменение, порожденное природой самого процесса (разладкой), использование его невозможно. Это связано с

813472

-коррекцией выбросов, вносимых в реализацию процесса самим анализатором.

Цел У изобретения — повышение точности анализатора случайных процессов.

Поставленная цель достигается тем, что в анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, первый вход которого является входом анализатора, вычислитель текущей дисперсии, первый выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к первым входам блока регистрации и амплитудного селектора, второй вход которого соединен с блоком управления, введены первый и второй ключи, экстраполятор, анализатор 15 длительности сигнала и блок памяти, выход и первый вход которого соединены соответственно с вторым входом блока деления и вторым выходом вычислителя текущей дисперсии, вход кото- Я рого соединен с выходом сумматора, первый вход которого подключен к первому входу первого ключа, выход которого через экстраполятор соединен с вторым входом сумматора, а второй вход первого ключа соединен с вторым входом блока памяти и выходом второго ключа, первый вход которого подкдючен к выходу анализатора длительности сигнала и второму входу блока регистрации, третий вход которого подключен к выходу амплитудного селектора, входу анализатора длительности сигнала и второму входу второго ключа;

Работа устройства основана на про- З5 верке расхождения величины, являющей-. ся квантелем распределения, и текущей оценки, определяемой выражением

Х

V() V (t) 4О

V (. Т)

1 t+4T где V (t) = — $ (x(t) — у(г)) d .;

Т

t- Т

45 у(Ц вЂ” функция, аппроксимирующая случайные сигналы на интервале t+, t+ + 7, например, у(t) = az + à., t; — момент разладки процесса;

Ф

Т вЂ” интервал аппроксимации, х(t) — значения проверяемого сигнала;

V (|, Т) — дисперсия сигнала, измеренная, начиная с момента

t» времени на интервале

tt t%+ .T) .

Для начала анализа момент t>, характеризующий момент включения, полагается равным

Аномальный .однозначный выброс при- щ водит к скачкообразному изменению

V(t), при этом продолжительность участка превышения данной статистикой порога точно равна длине скользящего интервала Т. В случае разладки процесса длительность участка превышения отлична от Т, Таким образом, устройство фиксирует факт и момент аномального выброса, если длительность участка превышения статистикой V(t) порога равна Т и разладку процесса — в случае большей длительности.

Применение величины V(t), определяемой соотношением (1), основывается на том, что отношение выборочных дисперсий следует распределению Аишера.

На чертеже приведена схема анализатора.

Анализатор содержит сумматор 1, первый ключ 2, экстраполятор 3, вычислитель 4 текущей дисперсии,. блок

5 памяти, блок б деления, блок 7 управления, амплитудный селектор 8, блок 9 регистрации, анализатор 10 длительности сигнала, второй ключ 11.

Анализатор работает следующим образом.

Исследуемый процесс, преобразованный в электрический сигнал, поступает одновременно на вход сумматора

1 и через первый вход (аналогового) первого ключа 2 на экстраполятор 3.

Аналоговый ключ 2 пропускает информацию со входа устройства на экстраполятор 3 в течение интервала времени (t, t» + T) . Экстраполятор 3 рассчитывает коэффициенты аппроксимирующего полинома заданной степени и прогнозирует значения интерполяционной функции для любого t ) t + Т. Прогноз осуществляется вплоть до следующего момента разладки.

Сумматор 1, на второй вход котороro поступают значения сигнала, рас— считанные по интерполяционному полиному, осуществляет центрирование исследуемого процесса. С выхода сумматора 1 сигнал разности поступает на вход вычислителя 4 текущей дисперсии, с выхода которого напряжение, пропорциональное текущему значению скользящей дисперсии, поступает на первый вход блока б деления, на второй вход которого поступает напряжение, пропорциональное значению начальной дисперсии V (1, Т) из блока 5 памяти, в котором запоминается ее значение.

Блок б деления вычисляет отношение в соответствии с выражением (1).

С выхода блока б деления сигнал, пропорциональный оценке V(t), поступает в амплитудный селектор 8 и на первый вход блока 9 регистрации. Блок 7 по принятому значению доверительной вероятности и соответствующему этому значению квантилю устанавливает пороги ограничения по верхнему и по нижнему уровням ограничителей в соответствии с кривой зависимости напряжения от доверительной вероятности и интервала Т.

813472

Пока сигнал оценки не превышает установленных порогов ограничения на выходе амплитудного селектора 8 сигнал отсутствует. В случае превышения порога с амплитудного селектора 8 на второй вход блока 9 регистрации и анализатор 10 поступает сигнал длительностью

При Г= Т анализатор 10 длительности сигнала идентифицирует аномальчый выброс в процессе и вырабатывает импульс, поступающий на третий вход iQ блока 9.

Таким образом, при появлении импульса на входе блока регистрации, соединенном с амплитудным селектором, разладка фиксируется только в том 15 случае, если нет сигнала на входе, соединенном с анализатором длительности, иначе фиксируется аномальный выброс в процессе.

С выхода амплитудного селектора 8 20 сигнал превышения порога поступает также на первый вход ключа 11, управляемого по второму входу, соединенно-. му с выходом анализатора 10 длительности сигнала. При отсутствии сигнала на втором входе ключе 11 открыт.

При этом сигнал разладки поступает на"второй вход аналогового ключа 11, который открывает вход новой порции информации на экстраполятор 3, который производит расчет новых коэффици- 30 ентов полинома без учета, старой информации о процессе. Этим же сигналом стирается информация в блоке 5 памяти.

B блоке 9 регистрации одновремен- 35 но фиксируется информация б текущем времени, что позволяет установить момент разладки или аномального выброса процесса в реальном масштабе времени. 40

Предлагаемое устройство разбивает весь процесс на квазиоднородные участки, внутри которых можно считать, что математическое ожидание изменяется по некоторому закону, задаваемому аппроксимирующим полиномом, а дисперсия существенно не измЕняется и по величине пропорциональна сигналу на выходе блока 5 памяти. Текущие "значения Ч(t) описывают отклонения от этих параметров внутри каждого участ- 5О ка. Вместе с тем анализатор регистрирует аномальные выбросы процесса.

Таким образом, анализатор обеспечивает возможность оценки статистических сЛучайных процессов с одновременной регистрацией аномальных измерений, участков ненормальности (сбоев) работы аппаратуры или изменения режимов. что предотвращает опасные аварийные ситуации и повышает о6основанность принятия решения на управление.

Формула изобретения

Анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, первый вход которого является входом анализатора, вычислитель текущей дисперсии, первый выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к первым входам блока регистрации и амплитудного селектора, второй вход которого соединен с блоком управления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, он содержит первый и второй ключи, экстраполятор, анализатор длительности сигнала и блок памяти, выход и первый вход которого соединены соответственно с вторым входом блока деления и вторым выходом вычислителя текущей дисперсии, вход которого соединен с выходом сумматора, первый вход которого подключен к первому входу первого ключа, выход которого через зкстраполятор соединен с вторым входом сумматора, а второй вход первого ключа соединен с вторым входом блока памяти и выходом второго ключа, первый вход которого подключен к выходу анализатора длительности сигнала и второму входу блока регистрации, третий вход которого подключен к выходу амплитудного селектора, входу анализатора длительности сигнала и второму входу второго ключа..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 324663, кл. G 06 G 7/52, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 318956, кл. G 06 G 7/52, 1971 (прототип).

813472

Тираж 745 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 776/54

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

Составитель Э. Сечина

Редактор И. Касарда Техред И.Майорош Корректор С. шекмар