Устройство для определения характеристик случайных процессов

 

ОЛ ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ -СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социапистичесиих

Ресяубпин (»882024 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву h" 926686 (22) Заявлено 16. 07. 80 (21) 2961933/18-24 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 15. 12.82. Бюллетень М 46 (51)M. Кл.

G 06 G 7/52

)Ьаударстаааавй каматат

CCCP

00 делан азабратенкй н аткрытак (53) УДК 681. .333(088.8) Дата опубликования описания 18.12.82 ф; .л

А.А. Ромаще в (,.,„

j

Ордена Ленина институт проблем управления (72) Автор изобретения (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к измерительной технике, автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре для определения характеристик случайных процессов, устройствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медико-биологической информации, системах;первичной обработки данных, fO

По основному авт. св, к. 926686 известно устройство для определения ха" рактеристик случайных процессов, используемое в аппаратуре для оперативного (в реальном масштабе времени) анализа случайных процессов, устрой-. ствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медико-биологической информации, системах первичной обработки данных 2о и т.д., содержащее центрирующий фильтр, вход которого является входом уст-, ройства, а выход соединен с первыми входами измерителя среднеквадратичного отклонения и управляемого двухпорогового элемента, переключатель и источник постоянного напряжения, выход которого соединен с первым входом переключателя, второй вход которого подключен к выходу измерителя среднеквадратического отклонения. Второй вход измерителя среднеквадратического отклонения обьединен со вторым входом центрирующего фильтра и подключен к выходу двухпорогового управляемого элемента, второй вход которого соединен с выходом переключателя. Это устройство способно.в реальном масштабе времени подавлять импульсные помехи, налагающиеся на стационарные, либо слабо нестационарные по математическому ожиданию (среднему значению) и дисперсии случайные процессы. В случае наличия существенной нестационарности, например возможности резкого (скачкообразного) измерения математического ожидания, устройство переходит в режим памяти, 3 98202 .причем на его выходах фиксируются те значения математического ожидания (МО) и среднеквадратического отклонения (CKO), которые имели место до момента возникновения скачка МО.

Это происходит из-за того, что устройство воспринимает скачок ИО как импульсную помеху, имеющую неопределенно большую длительность f 1).

Целью предлагаемого изобретения !О является повышение точности получения оценок при быстроизменяющихся среднем и среднеквадратическом отклонениях, что дает возможность получать практически несмещенные оценки И математического ожидания и среднеквадратического отклонения основного ("незагрязненного") случайного процесса с существенно нестационарным ИО на фоне практически любых импульсных по- 20 мех.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены преобразователь время-напряжение и пороговый элемент, выход которого соединен с вторым управляющим входом центрирующего фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпорогового элемента.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - пример технической реализации центрирующего фильтра с дополни- . з тельным управляющим входом; на фиг.3 " временные диаграммы работы устройва.

Устройство (фиг. 1) содержит центрирующий фильтр 1, измеритель 2 сред- 46 неквадратического отклонения, управляемый двухпороговый элемент 3, переключатель 4, источник 5 постоянного напряжения, преобразователь время- . напряжение 6 и пороговый элемент 7. 4з

Выход 8 фильтра 1 центрированного о значения х входного процесса х соединен с информационным входом 9 измерителя 2 СКО и информационным входом 10 . управляемого двухпорогового элемен" та 3, выход которого соединен с управляющими входами 11 фильтра 1 и 12 измерителя 2. Управляющий вход 13 элемента 3 соединен с выходом 14 переключателя 4, первый вход 15 которо- го подключен к источнику 5, а второй вход 16 - к выходу измерителя 2. Вход

l преобразователя 6 соединен с выхо4 4 дом элемента 3, выход — со входом порогового элемента 7, выход которого подключен к управляющему входу 18 фильтра 1.

Центрирующий фильтр 1 и измеритель

СКО 2 построены на основе усреднителей с памятью. Усреднитель с памятью имеет второй (управляющий) двоичный вход, в зависимости от состояния ко-, торого усреднитель может работать либо в режиме усреднения, либо в режиме памяти. Единичное значение сигнала на управляющем входе соответствует режиму усреднения, а нулевое - режиму памяти. Вход 11 центрирующего фильтра 1 вход 12 измерителя 2 . (Фиг. 1) являются управляющими входами соответствующих усреднителей, входящих в их состав.

На фиг. 2 приведен пример реализации центрирующего фильтра 1 с первым (информационным) входом х, вторым

11 и третьим (дополнительным) 18 управляющими двоичными входами. Интегрирующая цепочка (резистор 19 и конденсатор 20) с управляемым ключом 21 на входе и повторителем на операционном усилителе 22 на выходе obpaзует усреднитель с памятью. Ключ 21 и резистор 19 эашунтированы последовательно соединенными резистором 23 и ключом 24 с управляющим двоичным входом 18. Нормальное состояние ключа 24 — разомкнутое. Постоянная времени Т цепи резистор 23 - конденсатор 20 равна Т = К, С о . При замкну1 том ключе 21 на выходе 25 усилителя

22 образуется экспоненциально сглаженный входной сигнал, дающий оценку m ИО входного процесса х.

При этом постоянная сглаживания

TK Rf9 С2о

На выходе усилителя 26 образуется о центрированный процесс х. Постоянная времени Т и Т2 выбираются из условия

Т<< с

1 1 — <с Т, (1) мин где 6„и 1„„„„- веРхняя и нижняя мокс граничные частоты спектра входного сигнала х. В этом случае очевидно при замыкании ключа 24 независимо от состояния ключа 21 напряжение на конденсаторе 20 и на выходе 25 усилите...-> ля 22 быстро отслеживает изменения входного сигнала, в том числе и скачки МО х, Работу усреднителя при замкнутом ключе 24 можно назвать режимом слежения.

5 9820

При переходе усреднителя из режима усреднения или слежения в режим памяти .ключи 21 и 24 размыкаются и на выходе усреднителя запоминается то значение выходного параметра, кото- В рое имело место в момент прихода команды "Запоминание". После поступления команды "Усреднение" ключ 21 замыкается и начинается обычная работа усреднителя при начальном условии, cooTветствующем величине, запомненной на усреднителе.

Управляемый двухпороговый элемент 3 (фиг. 1) имеет информационный вход 10, управляющий вход 13 и двоичный выход,.1 который принимает единичное значение, если l Uqo J Щ, и нулевое, если (U

Преобразователь 6 имеет двоичный управляющий вход 17. При единичном значении входного управляющего сигнала выходное напряжение преобразова- 2$ теля б равно -нулю. В момент перехода управляющего сигнала от единичного к нулевому значению выходное напряжение преобразователя 6 начинает нарастать по линейному закону, Следовательно, )Е величина напряжения пропорциональна времени, прошедшему с момента прихода нулевого значения управляющего сигнала. В момент появления единичного управляющего сигнала выходной сигнал преобразователя 6 возвращается в исходное (нулевое) состояние.

Пороговый элемент 7 имеет релейную характеристику, поэтому, если напряжение на его входе, подаваемое с пре- 46 образователя 6 меньше порогового значения U Р,,то выходной двоичный сигПОР нал равей нулю, если напряжение на входе порогового элемента 7 больше

0 то выходной сигнал равен едини-gg

reô це. Таким образом, UIIOP определяет отрезок времени ЬТ, между моментом прихода нулевого сигнала на вход преобразователя 6 и моментом перехода порогового элемента 7 в единичное со- стояние.

При появлении скачка ИО входного процесса х неравенство (2) также нарушается. Принять решение о том, что произоыел скачок можно. на основе априорной информации о максимальной длительности Т отдельного выбромаке са. Если интервал времени t,,to+ aT„ в течение которого нарушается нера, венство, больше Т,.окс, т.е.ьТ>1 Т Аокс, то с вероятностью, близкой к единице, произошел скачок ИО. В этом случае для быстрого отслеживания скачка ИО следует произвести в момент времени е

t + Т, установку .в усреднителе, входящем в состав центрирующего фильтО ра 1, нового начального условия, соответствующего новому значению ИО.

Это можно осуществить путем подачи единичного сигнала на управляющий вход 18 фильтра 1 (фиг. 1 и 2) в момент времени to + Такс. Указанная процедура реалйзуется автоматически с помощью преобразователя 6 и порогового элемента 7. Пороговое напряжение

U элемента 7 выбирается пропорциопор

1 нальным Т I,<. В момент нарушения не,равенства 2) срабатывает ввемент 3, запускающий преобразователь 6 и переводящий усреднители центрирующего фильтра 1 и измерителя СКО в режим памяти. Если время b,Ò нарушения неравенства (2) меньше Т, то элемакс мент 3 возвращается в йсходное состояние раньше, чем срабатывает поПредлагаемое устройство (фиг. 1} работает следующим образом.

Переключатель 4, служащий для раз; деления времени Т грубого (начального) определения оценок среднего значения и и СКО б входного процес% М са х и времени Т основного анализа, 24 6 в начале работЫ устройства замыкает контакты 14 и 15 и остается в этом состоянии в течение времени Тгр . При этом на управляющий вход 13 элемента 3 поступает максимальное значениеб ак от источника 5, а на информационный вход 10 - центрированный случайный процесс с выхода 8 центрирующего фильтра 1. Если значение модуля центрированного входного процесса удовлетворяет условию

I l <Ко,о... (2) то на выходе элемента 3 удерживается логическая единица и центрирующий фильтр 1 и измеритель 2 работают в режиме анализа. При появлении выброса во входном процессе условие (2) нарушается, на выходе элемента 3 появляется нулевой сигнал и усреднители, входящие в состав фильтра 1 и измерителя 2, переводятся в режим памяти на время действия помехи. По окончании действия помехи усреднитепи переходят в режим усреднения.

98202 роговый элемент 7, и устройство, как это и требуется, воспримет кратковременное резкое изменение входного сигнала как импульсную помеху, исключив ее из анализа. Если же Nil)r Т „0, то s сработает элемент 7 и подаст сигнал слежения на управляющий вход 18 фильтра 1. В результате на выходе усреднителя, входящего в состав ЦФ1, yc" тановится величина, соответствующая 10 новому значению ИО п(юцесса х, элемент 3 перейдет в исходное состояние (единичное) и устройство начнет процесс вычисления оценок m и(У до

М тех пор, пока не. появится следующая 15 импульсная помеха или новый скачок MO процесса х. При етом повторятся описанные процедуры. Важно подчеркнуть, что время запаздывания Т и скачка оценки m по отношению К реальному 20 скачку ИО входного процесса х равно примерно Т,„, т.е. величина запаздывания практически не зависит от параметров устройства, а определяется априорной информацией о макси- 25 мальной длительности помехи Т

В известных устройствах реакция на скачок ИО обычно носит экспоненциальный (плавный) характер и время запаздывания Т0п4 может быть оценено 30 выражением Г„ЗТ, где Т@- зквиМЕ Ф валентная величина постоянной сглаживания усреднителя. Совершенно очевидно, что Т, и 7 Т . При этом в течение времейи Тп, = 3Т. переход- з ного процесса оценки m> и б М (в осоХ бенности оценки() ) получаются на-.

Х столько смещенными, что использование их теряет смысл. Предлагаемое устройство полностью лишено Этого 40 недостатка.

Когда время Т грубого определения оценок m и O завершается, пе Ф реключатель 4 замйкает контакты 14 и 16, на управляющий вход 13 элемента 3 начинает поступать текущая оценка СКО О,„, и в течение времени Т .М основного анализа устройство. работает согласно решающему правилу 50

) xf < K5, (3) т.е. устройство адаптируется к конкретной реализации процесса. Иожно

4 8 показать, что для оптимальной работы устройства следует выбирать К 3.

Заметим, что реализованный способ отслеживания скачков ИО может быть обобщен на случайные процессы с существенно нестационарными дисперсиями и центральными моментами более высоких порядков.

Динамика работы устройства иллюстрируется на фиг. 3, где на графике а. показан входной случайный процесс с импульсными помехами (А †/ „) и скачками (В,1 и Q), на графиках б и 0 соответственно - текущие оценки mx+(t)

og <(t). Во время действия помех (интервалы дС.1 - а ) устройство находится в ре .<име запоминания, а при возникновении скачков ИО устройство отслеживает их с запаздыванием ьТ

= ЬТ0 = ЬтмоКс» где ТМокс мально возможная длительность импульсных помех.

Технико-зкономический эффект достигается за счет предельного уменьщения времени запаздывания и/или величины смещения оценок среднего значения и CKO существенно нестационарных случайных процессов на фоне импульсных помех.

Формула изобретения

Устройство для определения характеристик случайных процессов по авт.св.У926686, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности получения оценок при быстроизменяющихся среднем и среднеквадратическом отклонениях процесса, в устройство введены преобразователь время-напряжение и пороговый элемент, выход которого соединен с вторым управляющим входом центрирующего фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпорогового элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР н 926686, Ka. G 06 G 7дг, 1982 (прототип).

982024

Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9714/70

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

Составитель В. Жовинский

Редактор И. Петрова Техред А.Бабинец Корректор М.Коста