RU2475831C1

RU2475831C1 - Adaptive digital predicting and differentiating device

Info

Publication number: RU2475831C1
Application number: RU2011146760/08A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Саяфович Магданов; Юрий Анатольевич Рылов
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-02-20

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: device includes: a smoothing unit, a deviation ratio setting subunit, a real deviation subunit, a unit increment subunit, a dynamic characteristic control subunit, a smoothing unit data output, data, first control and clock inputs of the device; a clocking unit for a prediction unit; a prediction unit, a quadratic prediction subunit, a linear prediction subunit, a first derivative estimating unit, having a first subunit for calculating the first derivative, a second subunit for calculating the first derivative; a prediction behaviour control unit, having a register for storing the address of the ordinate of the history of the input process, the input of which is the second control input of the device, a comparator, an inverter, an AND element and an address counter. The prediction unit includes an adaptation unit, having a first and a second XOR element, an OR element, an inverter, a first and a second AND element, a flip-flop and a multiplexer, the output of which is the first data output of the device.

EFFECT: high quality and accuracy of control in digital dynamic control systems.

6 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов, повышения качества и точности управления в цифровых системах контроля и наведения различных (в т.ч. баллистических) объектов.The invention relates to automation and computer technology and can be used to predict stationary and non-stationary random processes, improve the quality and accuracy of control in digital control systems and guidance of various (including ballistic) objects.

Известно устройство для адаптивной экстраполяции (прогноза) (по авт. св. СССР №1246775, кл. G06F 15/353, 1984), содержащее блок сглаживания, блок экстраполяции (прогноза), содержащий три вычитателя, регистр адреса ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, задающий время прогноза и выходной сумматор расчета оценки квадратичного прогноза. Устройство функционально ограничено.A device for adaptive extrapolation (forecast) is known (according to ed. St. USSR No. 1246775, class G06F 15/353, 1984), containing a smoothing unit, an extrapolation (forecast) block containing three subtractors, a register of ordinates (calculated points) of history the input process that sets the forecast time and the output adder for calculating the quadratic forecast estimate. The device is functionally limited.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для адаптивной экстраполяции (прогноза) (по авт. св. СССР №1572281, кл. G06F 15/353, 1988), содержащее блок сглаживания, блок экстраполяции (прогноза), включающий в себя три последовательно соединенных вычитателя, регистр задания времени прогноза, выходной сумматор расчета оценки квадратичного прогноза и блок оценки первой производной из трех сумматоров. Это устройство также функционально ограничено.The closest in technical essence to the claimed device is a device for adaptive extrapolation (forecast) (according to ed. St. USSR No. 1572281, class G06F 15/353, 1988), containing a smoothing unit, an extrapolation (forecast) unit, including three a series-connected subtractor, a register for specifying a forecast time, an output adder for calculating a quadratic prediction estimate, and an estimator for a first derivative of three adders. This device is also functionally limited.

Перечисленные выше аналоги, как и все технические системы, работают в двух режимах: стационарном и динамическом (переходном). Последний может быть вызван запуском, ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой и т.д., т.е. почти скачкообразным изменением входного процесса. Естественно, операция прогнозирования в этом случае должна быть исключена.The above analogues, like all technical systems, operate in two modes: stationary and dynamic (transitional). The latter can be caused by starting, accelerating, bending, switching from one stationary mode to another, etc., i.e. an almost abrupt change in the input process. Naturally, the prediction operation in this case should be excluded.

Стационарный режим, в свою очередь, можно разделить на два вида, когда детерминированная основа (медиана) входного случайного дискретного процесса может иметь линейный (в частном случае, постоянный) или нелинейный (квадратичный) характер изменения во времени.The stationary mode, in turn, can be divided into two types, when the deterministic basis (median) of an input random discrete process can have a linear (in the particular case, constant) or non-linear (quadratic) character of change in time.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в устранении дуальности выхода прогноза, т.е. в определении способа и схемы для адаптивного (автоматического) выбора линейного или квадратичного оператора прогноза входного дискретного процесса в зависимости от характера поведения последнего в период предыстории.The technical problem for the proposed device is to eliminate the duality of the forecast output, i.e. in determining the method and scheme for adaptive (automatic) selection of a linear or quadratic prediction operator of an input discrete process, depending on the nature of the behavior of the latter in the history period.

Поэтому в адаптивном цифровом прогнозирующем и дифференцирующем устройстве, в состав которого входят: блок сглаживания (по авт. св. СССР №1531808, кл. H03H 17/04, 1988), содержащий сумматор, первый и второй реверсивные счетчики, одноканальный субблок сглаживания (по авт. св. СССР №748417, кл. G06F 15/32, 1980) из последовательно соединенных сумматора и регистра, субблок задания соотношения отклонений, содержащий регистр, счетчик и элемент задержки, субблок действительных отклонений, содержащий блок инверторов, два компаратора и элемент И, субблок единичных приращений, содержащий два элемента И и инвертор, субблок управления динамической характеристикой, содержащий два формирователя импульсов, элемент ИЛИ, счетчик, первый, второй и третий элементы И и триггер режима, информационный выход блока сглаживания, информационный, первый управляющий и тактирующий входы устройства; узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига; блок прогноза, содержащий первый и второй вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор, субблок квадратичного прогноза, содержащий блок инверторов, первый и второй сумматоры, выход второго сумматора является информационным выходом субблока, субблок линейного прогноза, содержащий сумматор и блок инверторов, выход сумматора является информационным выходом субблока, блок оценки первых производных, содержащий первый субблок расчета первой производной в первой n-й (текущей) расчетной точке предыстории прогнозируемого процесса из одного сумматора, выход которого является выходом субблока и вторым информационным выходом устройства, второй субблок расчета первой производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории из одного сумматора, выход которого является выходом субблока и третьим информационным выходом устройства и третий субблок расчета первой производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории из блока инверторов, первого и второго сумматоров, выход последнего является выходом субблока и четвертым информационным выходом устройства; узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр хранения адреса ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время (интервал) прогноза, компаратор, инвертор, элемент И и счетчик адреса, информационный выход которого заведен на адресные шины мультиплексоров обоих вычитателей и на первый вход компаратора, второй вход которого подключен к выходу регистра хранения адреса, выход компаратора через инвертор соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И субблока управления динамической характеристикой (СУДХ) блока сглаживания, выход элемента И соединен с счетным входом счетчика адреса, шина сброса в «0» которого подключена к выходу второго элемента И СУДХ блока сглаживания, для решения поставленной задачи в блок прогноза введен блок адаптации, содержащий первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент ИЛИ, инвертор, первый и второй элементы И, триггер и мультиплексор, причем на первый вход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ заведен выход знакового разряда второго сумматора третьего субблока расчета первой производной, а на второй вход-выход знакового разряда сумматора второго субблока расчета первой производной, выход этого же знакового разряда подключен к первому входу второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом знакового разряда сумматора первого субблока расчета первой производной, выход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к второму входу элемента ИЛИ, на первый вход которого заведен выход от первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход элемента ИЛИ подключен к первому входу второго элемента И и через инвертор - к первому входу первого элемента И, а вторые входа обоих элементов И соединены с шиной выхода («в») регистра сдвига узла тактирования блока прогноза, выход первого элемента И заведен на шину установки в «1» триггера, а выход второго элемента И - на нулевой вход триггера, прямой («1») выход последнего подключен к адресному входу мультиплексора, на информационные входные шины которого заведены выходы субблоков квадратичного и линейного прогнозов, выход мультиплексора блока адаптации является первым информационным выходом устройства.Therefore, in an adaptive digital predictive and differentiating device, which includes: a smoothing unit (according to ed. St. USSR No. 1531808, class H03H 17/04, 1988), containing an adder, the first and second reversible counters, a single-channel smoothing subunit (by ed. St. USSR No. 748417, class G06F 15/32, 1980) from a series-connected adder and a register, a subunit for setting the deviation ratio containing a register, a counter and a delay element, a subunit of real deviations containing a block of inverters, two comparators and an AND element , subunit of single pri information containing two AND elements and an inverter, a dynamic response control subunit containing two pulse shapers, an OR element, a counter, first, second and third AND elements and a mode trigger, information output of the smoothing unit, information, first control and clock inputs of the device; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; a prediction block containing the first and second subtractors, each of which contains a register memory block, a multiplexer, an inverter block and an adder, a quadratic prediction block containing an inverter block, a first and second adder, a second adder output is an information subblock output, a linear prediction sub block containing the adder and the inverter unit, the adder output is the information output of the subunit, the first derivative evaluation unit, containing the first subunit of calculating the first derivative in the first n-th (current) calculation point of the history of the predicted process from one adder, the output of which is the output of the subunit and the second information output of the device, the second subunit of calculating the first derivative in the second (n-1) -th calculation point of the history of one adder, the output of which is the output of the subunit and the third information output devices and the third subunit of calculating the first derivative in the third (n-2) -th calculation point of the history from the block of inverters, the first and second adders, the output of the latter is the output of the subunit and the fourth data output device; a forecast dynamics control unit containing a register for storing the ordinates of the ordinates (calculated points) of the history of the input process, the input of which is the second control input of the device that sets the time (interval) of the forecast, a comparator, an inverter, an AND element and an address counter whose information output is wired to address buses multiplexers of both subtractors and to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the address storage register, the output of the comparator through an inverter is connected to the first input of the element And, the second input which is connected to the output of the third element AND of the dynamic characteristic control subunit (SUDH) of the smoothing block, the output of the And element is connected to the counting input of the address counter, whose reset bus is “0” and connected to the output of the second element AND SUDH of the smoothing block, to solve the problem in the block of the prediction, an adaptation block is introduced containing the first and second EXCLUSIVE OR elements, the OR element, an inverter, the first and second AND elements, a trigger and a multiplexer, and the output to the first input of the EXCLUSIVE OR of the second discharge of the second adder of the third subunit of the calculation of the first derivative, and to the second input-output of the sign of the adder of the second subunit of the calculation of the first derivative, the output of the same sign discharge is connected to the first input of the second EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the output of the sign discharge of the adder of the first subunit of calculating the first derivative, the output of the second EXCLUSIVE OR element is connected to the second input of the OR element, the first input of which is connected to the output from the first EXCLUSIVE OR element, in the output of the OR element is connected to the first input of the second element And and through the inverter to the first input of the first element And, and the second inputs of both elements And are connected to the output bus ("c") of the shift register of the clock node of the forecast block, the output of the first element And is wired to the bus set to “1” the trigger, and the output of the second element And to the zero input of the trigger, the direct (“1”) output of the latter is connected to the address input of the multiplexer, the information input buses of which have outputs of the sub-blocks of quadratic and linear forecasts, the output of the multiplex litter block adaptation is the first information output of the device.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок-схема блока сглаживания; на фиг.3 - блок-схема одноканального субблока сглаживания; на фиг.4 - блок-схема узла тактирования блока прогноза; на фиг.5 - блок-схема блока прогноза и блока адаптации; на фиг.6 - таблица с примерами результатов моделирования работы устройства.The invention is illustrated by drawings, which depict: in Fig.1 - a block diagram of the proposed device; figure 2 is a block diagram of a smoothing unit; figure 3 is a block diagram of a single-channel anti-aliasing subunit; Fig. 4 is a block diagram of a timing unit of a forecast block; 5 is a block diagram of a forecast block and an adaptation block; figure 6 is a table with examples of simulation results of the operation of the device.

Известны формулы операторов прогноза, полученные аналитически с помощью аппроксимирующих многочленов по трем точкам (ординатам) предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М.: ИЛ, 1951, стр.212). Оператор прогноза по аппроксимирующему многочлену второй степени (квадратичному) по трем точкам предыстории имеет вид:The known prediction operator formulas obtained analytically using approximating polynomials at three points (ordinates) of the history of the input random discrete process using the least squares method (Milne V.E. Numerical analysis. M.: IL, 1951, p. 212). The prediction operator for an approximating polynomial of the second degree (quadratic) over three historical points has the form:

Оператор прогноза по аппроксимирующему многочлену первой степени (линейному) по трем точкам предыстории имеет вид:The prediction operator for an approximating polynomial of the first degree (linear) over three historical points has the form:

или его упрощенный вариант:or its simplified version:

где y_п - первая (текущая) расчетная точка (ордината);where y _p - the first (current) calculated point (ordinate);

y_п-1, y_п-2 - соответственно, вторая и третья расчетные точки (ординаты) двухуровневой предыстории входной сглаженной дискретной последовательности. В численном анализе - это система равноотстоящих точек с шагом h, в реальном масштабе времени h - интервал между точками (ординатами), т.е. время (глубина) прогноза (Н).y _p-1 , y _p-2 - respectively, the second and third calculated points (ordinates) of the two-level history of the input smoothed discrete sequence. In numerical analysis, this is a system of equally spaced points with a step h; in real time, h is the interval between points (ordinates), i.e. time (depth) of the forecast (N).

Обозначим Δy₁=(2y_п-y_п-1) как биразность первого уровня предыстории входной дискретной последовательности, т.е. разность между удвоенной текущей и предыдущей ординатой процесса, соответственно, Δy₂=(2y_п-1-y_п-2) - биразность второго уровня предыстории.We denote Δy ₁ = (2y _p -y _p-1 ) as the biodiversity of the first level of the history of the input discrete sequence, i.e. the difference between the doubled current and previous ordinates of the process, respectively, Δy ₂ = (2y _p-1 -y _p-2 ) is the biodiversity of the second level of history.

После модификации уравнений (1) и (3) с учетом биразностей получим следующие выражения для операторов квадратичного [КВ3] и линейного [ЛН3] прогнозов, реализованные в предлагаемом устройстве:After modifying equations (1) and (3), taking into account biodiversity, we obtain the following expressions for the quadratic [KB3] and linear [LH3] prediction operators implemented in the proposed device:

где Z=y_п-Δy₂ иwhere Z = y _p -Δy ₂ and

Известны формулы численного дифференцирования для равноотстоящих точек, выраженные через значения функции в этих точках (Дж.Поллард. Справочник по вычислительным методам статистики. М.: ФС, 1982, §6.6, стр.61), в частности, для трех точек имеем:Known formulas for numerical differentiation for equally spaced points expressed in terms of the function values at these points (J.Pollard. Handbook of computational methods of statistics. M .: FS, 1982, §6.6, p. 61), in particular, for three points we have:

Ниже приводится таблица соответствия нумерации расчетных точек (узлов) предыстории нумерации точек в первоисточнике.The table below shows the correspondence of the numbering of calculated points (nodes) to the history of the numbering of points in the original source.

Номер расчетной точки в предысторииHistorical Settlement Point Number 33 22 1one y_n-i y _ni y_n-2 y _n-2 y_n-1 y _n-1 y_n y _n y_n+1 y _{n + 1} y_i y _i y₀ y ₀ y₁ y ₁ y₂ y ₂ f_i f _i f_-1 f _-1 f₀ f ₀ f₁ f ₁

После преобразования уравнений (6), (7) и (8) с учетом биразностей получим следующие выражения для расчета первых производных, реализованные в предлагаемом устройстве::After transforming equations (6), (7) and (8) taking into account biodiversity, we obtain the following expressions for calculating the first derivatives implemented in the proposed device:

Основными типовыми элементами устройства являются сумматоры (комбинационные) и блоки инверторов, а умножение коэффициентов на слагаемые выполняется соответствующими монтажными сдвигами шин последних при вводе в сумматор. Такие операции на блок-схеме (см. фиг.5) обозначены кружочком.The main typical elements of the device are adders (combinational) and inverter blocks, and the multiplication of the coefficients by the terms is carried out by the corresponding mounting shifts of the latter buses when entering the adder. Such operations on the block diagram (see figure 5) are indicated by a circle.

В таблице на фиг.6 приведены результаты моделирования работы предлагаемого устройства для 12-ти примеров, взятых из материалов заявки №2011122148/08 (032740) от 31.05.2011 г., в которых оценки квадратичного и линейного прогнозов в аналоге рассчитаны по четырем точкам (ординатам) трехуровневой предыстории прогнозируемого процесса. Эти оценки условно можно принять за генеральный прогноз. Как видно из таблицы, удовлетворительное совпадение с генеральным прогнозом для предлагаемого устройства дает алгоритм адаптации (выбора), построенный на анализе комбинаций знаков первых производных в трех расчетных точках (ординатах y_п, y_п-1 и y_п-2) двухуровневой предыстории процесса, в частности, при совпадении всех знаков следует выбрать оценку квадратичного прогноза, при несовпадении - линейного. Схемная реализация поставленной задачи решается путем последовательного соединения двух элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с элементом ИЛИ (A, B, C - знаки первых производных: «+»=0, «-»=1):The table in figure 6 shows the results of modeling the operation of the proposed device for 12 examples taken from materials of application No. 2011122148/08 (032740) dated 05/31/2011, in which the estimates of the quadratic and linear forecasts in the analogue are calculated at four points ( ordinates) of a three-level background of the predicted process. These estimates can conditionally be taken as a general forecast. As can be seen from the table, a satisfactory coincidence with the general forecast for the proposed device gives an adaptation (selection) algorithm based on an analysis of the combinations of signs of the first derivatives at three calculated points (ordinates y _p , y _p-1 and y _p-2 ) of the two-level process history, in particular, if all the signs coincide, one should choose an estimate of the quadratic forecast, and if they do not coincide, they should be linear. The schematic implementation of the task is solved by sequentially connecting the two elements EXCLUSIVE OR to the OR element (A, B, C - signs of the first derivatives: “+” = 0, “-” = 1):

Устройство содержит (см. фиг.1) блок сглаживания 1, блок прогноза 2 и блок адаптации 3. Блок сглаживания 1 (см. авт. св. СССР №1531808, кл. H03H 17/04, 1988) содержит (см. фиг.2) сумматор 4, субблок 5 действительных отклонений, содержащий блок инверторов 6, два компаратора 7.1 и 7.2 и элемент И 8, первый реверсивный счетчик 9, субблок 10 задания соотношения отклонений, содержащий регистр 11, счетчик 12 и элемент задержки 13, субблок 14 единичных приращений, содержащий инвертор 15 и два элемента И 16.1 и 16.2, второй реверсивный счетчик 17, субблок 18 управления динамической характеристикой, содержащий два формирователя импульсов 19.1 и 19.2, элемент ИЛИ 20, счетчик 21, три элемента И 22.1, 22.2, 22.3 и триггер режима 23; информационный вход 24 блока сглаживания и устройства, первый управляющий 25 и тактирующий 26 входы устройства и блока сглаживания; одноканальный субблок сглаживания 27 (см. авт. св. СССР №748417, кл. G06F 15/32, 1980), содержащий (см. фиг.3) последовательно соединенные сумматор 28 и регистр 29; информационный выход 30. Узел тактирования 31 блока прогноза содержит (см. фиг.4) элемент задержки 32, триггер 33, генератор импульсов 34, элемент И 35 и регистр сдвига 36. Блок прогноза 2 (см. фиг.5) содержит первый 37 и второй 38 вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти 39 из (А) последовательно соединенных регистров 40, мультиплексор 41, блок инверторов 42 (в предположении, что мультиплексор не имеет инверсных выходов) и сумматор 43; субблок 44 квадратичного прогноза, содержащий блок инверторов 45, первый 46 и второй 47 сумматоры; субблок 48 линейного прогноза, содержащий блок инверторов 49 и сумматор 50; блок 51 оценки первых производных содержит первый субблок 52 расчета первой производной в первой n-й расчетной точке предыстории процесса из одного сумматора 53, выход 54 которого является вторым информационным выходом устройства, второй субблок 55 расчета первой производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории из одного сумматора 56, выход 57 которого является третьим информационным выходом устройства, третий субблок 58 расчета первой производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории, в состав которого входят первый сумматор 59, блок инверторов 60 и второй сумматор 61, выход 62 которого является четвертым информационным выходом устройства; узел 63 управления динамикой прогноза, содержащий регистр 64 хранения адреса (А) ординат расчетных точек предыстории процесса, вход 65 которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время прогноза Н=АТ (Т - цикл работы устройства, А - максимальный адрес регистра памяти 40 блока 39), компаратор 66, инвертор 67, элемент И 68 и счетчик адреса 69; блок адаптации 3 содержит два элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 70.1 и 70.2, элемент ИЛИ 71, инвертор 72, два элемента И 73.1 и 73.2, триггер 74, мультиплексор 75 и первый информационный выход 76 устройства.The device comprises (see FIG. 1) a smoothing block 1, a forecast block 2 and an adaptation block 3. The smoothing block 1 (see ed. St. USSR No. 1531808, class H03H 17/04, 1988) contains (see FIG. 2) the adder 4, the subunit 5 of the actual deviations, containing the block of inverters 6, two comparators 7.1 and 7.2 and the element And 8, the first reversible counter 9, the subunit 10 sets the ratio of deviations, containing the register 11, the counter 12 and the delay element 13, the subunit 14 unit increments, containing the inverter 15 and two elements And 16.1 and 16.2, the second reversible counter 17, subunit 18 control dynamic character ISTIC comprising two PFN 19.1 and 19.2, an OR gate 20, counter 21, three AND gates 22.1, 22.2, 22.3 and 23, trigger mode; information input 24 of the smoothing unit and the device, the first control 25 and clocking 26 inputs of the device and the smoothing unit; single-channel smoothing subunit 27 (see ed. St. USSR No. 748417, class G06F 15/32, 1980), comprising (see FIG. 3) adder 28 and register 29 connected in series; information output 30. The timing unit 31 of the forecast block contains (see FIG. 4) a delay element 32, a trigger 33, a pulse generator 34, an And 35 element and a shift register 36. Prediction block 2 (see FIG. 5) contains the first 37 and the second 38 subtractors, each of which contains a block of register memory 39 from (A) series-connected registers 40, a multiplexer 41, a block of inverters 42 (assuming that the multiplexer does not have inverse outputs) and an adder 43; a quadratic prediction subunit 44 comprising an inverter unit 45, a first 46 and a second 47 adders; a sub-block 48 of a linear forecast comprising a block of inverters 49 and an adder 50; the first derivative evaluation unit 51 contains the first subunit 52 for calculating the first derivative in the first n-th calculation point of the process history from one adder 53, the output 54 of which is the second information output of the device, the second subunit 55 for calculating the first derivative in the second (n-1) -th the historical reference point from one adder 56, the output 57 of which is the third information output of the device, the third subunit 58 of the calculation of the first derivative at the third (n-2) -th historical reference point, which includes the first adder 59, to inverters 60 and a second adder 61, the output of which 62 is the fourth information output of the device; prediction dynamics control unit 63 containing a register 64 for storing the address (A) of the ordinates of the calculated points of the process history, input 65 of which is the second control input of the device that sets the forecast time H = AT (T is the cycle of the device, A is the maximum address of the 40 memory block register 39), a comparator 66, an inverter 67, an element 68, and an address counter 69; adaptation block 3 contains two elements EXCLUSIVE OR 70.1 and 70.2, element OR 71, inverter 72, two elements AND 73.1 and 73.2, trigger 74, multiplexer 75 and the first information output 76 of the device.

Цикл работы устройства состоит из 4-х тактов. Блок сглаживания 1 работает в двух режимах: стационарном и динамическом (переходном), причем все операции выполняются в нем за один (1-й) такт.The cycle of the device consists of 4 cycles. The smoothing unit 1 operates in two modes: stationary and dynamic (transitional), and all operations are performed in it in one (1st) cycle.

На стационарном режиме блок сглаживает входной случайный дискретный процесс, детерминированная основа (медиана) которого может иметь постоянный, линейный или нелинейный (квадратичный) характер изменения во времени. Блок сглаживания 1 (см. фиг.2) реализует следующую модификацию оператора сигнатурного экспоненциального сглаживания:In stationary mode, the unit smooths the input random discrete process, the deterministic basis (median) of which can have a constant, linear or non-linear (quadratic) character of change in time. The smoothing unit 1 (see figure 2) implements the following modification of the operator of signature exponential smoothing:

где x_n и y_n - входная и выходная дискреты;where x _n and y _n are the input and output discrete;

α=1/K - параметр сглаживания, K - параметр адаптации;α = 1 / K is the smoothing parameter, K is the adaptation parameter;

Δx_n=(x_n-y_n-1) - текущие отклонения от медианы процесса.Δx _n = (x _n -y _n-1 ) - current deviations from the median of the process.

В качестве критерия эффективности (точности) сглаживания выбрано соотношение d между нулевыми и действительными отклонениями Δx_n. Последние формируют текущие единичные приращения обоего знака выходной дискреты в соответствии с сигнатурной функцией в (12):As a criterion for the effectiveness (accuracy) of smoothing, the ratio d between zero and actual deviations Δx _{n is} chosen. The latter form the current unit increments of both signs of the output discretes in accordance with the signature function in (12):

sign[Δx_n/K]=0 для [Δx_n-K]<0 (Δx_n - нулевые отклонения),sign [Δx _n / K] = 0 for [Δx _n -K] <0 (Δx _n are zero deviations),

sign[(Δx_n/K]=1 для [Δx_n/K]>0 (Δx_n - действительные отклонения).sign [(Δx _n / K] = 1 for [Δx _n / K]> 0 (Δx _n are real deviations).

На стационарном режиме (D=0 - признак режима) блок 1 сглаживает входную случайную последовательность дискрет до уровня заданного соотношением d (реальный диапазон d=7÷190), которое заносится перед началом работы устройства со входа 25 в регистр 11 субблока 10 задания соотношения отклонений. Последний представляет собой управляемый делитель частоты, например, при d=7 на выходе прямого переноса счетчика 12 появляется каждый седьмой тактовый импульс со входа 26, который через элемент задержки 13 перезаписывает инверсный код d из регистра 11 в счетчик 12 (для следующего цикла работы делителя) и вычитает «1» из первого реверсивного счетчика 9, содержащего код параметра адаптации К.In stationary mode (D = 0 - a sign of mode), block 1 smooths the input random sequence of discrete to the level specified by the relation d (real range d = 7 ÷ 190), which is entered before the device starts from input 25 into register 11 of subunit 10 of the deflection ratio . The latter is a controllable frequency divider, for example, with d = 7, every seventh clock pulse from input 26 appears at the output of direct transfer of counter 12, which, through delay element 13, overwrites inverse code d from register 11 to counter 12 (for the next cycle of the divider) and subtracts “1” from the first reversible counter 9 containing the adaptation parameter code K.

Адаптивное управление параметром сглаживания, обеспечивающее постоянство выходного значения дисперсии сглаженного процесса независимо от степени ее изменчивости на входе, производится следующим образом. Пусть (при определенном коде К в счетчике 9) возросла дисперсия входного дискретного процесса, т.е. возросло число действительных отклонений Δx_n (обоих знаков). После сравнения их с параметром адаптации К на выходе блоков компараторов 7.1 и 7.2 субблока 5 (играющего роль отрицательной обратной связи) устанавливаются логические «1» (режим работы компараторов: [Δx_n>K]=«1», [Δx_n<K]=«0»), поступающие на вход элемента И 8. Так как на стационарном режиме триггер режима 23 находится в состоянии «0» (D=0), то с его инверсного выхода на первый вход элемента И 8 субблока 5 также поступает логическая «1». Высокий уровень сигналов на всех входах элемента И 8 разрешает прохождение тактовых импульсов с входа 26 на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 9 (код К в последнем увеличивается) и на вторые входы элементов И 16.1 и 16.2 субблока единичных приращений 14. Сигнал с выхода одного из них (в зависимости от знака отклонения) поступает на суммирующий (или вычитающий) вход второго реверсивного счетчика 17 результата сглаживания, т.е. реализуется сигнатурная функция (12). Процесс роста К приведет к снижению числа действительных отклонений и будет продолжаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т.е. число импульсов, поступивших от субблока 10 на вычитающий вход счетчика 9, будет равно числу импульсов, поступивших на его суммирующий вход от субблока 5, а дисперсия выходной сглаженной дискретной последовательности останется неизменной (для d=7: на одно действительное отклонение должно приходится семь нулевых).Adaptive control of the smoothing parameter, ensuring the constancy of the output value of the variance of the smoothed process, regardless of the degree of its variability at the input, is performed as follows. Let (for a certain code K in counter 9), the variance of the input discrete process increase, i.e. the number of actual deviations Δx _n (of both signs) increased. After comparing them with the adaptation parameter K at the output of the comparator blocks 7.1 and 7.2 of the subunit 5 (playing the role of negative feedback), logical “1” is set (the mode of operation of the comparators: [Δx _n > K] = “1”, [Δx _n <K] = "0") received at the input of element And 8. Since in the stationary mode the trigger of mode 23 is in the state "0" (D = 0), then from its inverse output to the first input of element And 8 of subunit 5, a logical "one". A high level of signals at all inputs of the And 8 element allows the passage of clock pulses from input 26 to the summing input of the first reverse counter 9 (the K code in the last increases) and to the second inputs of the And 16.1 and 16.2 elements of the subunit of unit increments 14. The signal from the output of one of them (depending on the sign of the deviation) is fed to the summing (or subtracting) input of the second reverse counter 17 of the smoothing result, i.e. the signature function (12) is realized. The growth process of K will lead to a decrease in the number of actual deviations and will continue until a dynamic equilibrium sets in, i.e. the number of pulses received from the subunit 10 to the subtracting input of the counter 9 will be equal to the number of pulses received at its summing input from the subunit 5, and the variance of the output smoothed discrete sequence will remain unchanged (for d = 7: seven zero deviations should occur per real deviation) .

Переходный (динамический) режим может быть вызван запуском, ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой и т.д., т.е. почти скачкообразным изменением процесса. Для сглаживания входной дискретной последовательности на переходных режимах (D=1) используется одноканальный субблок сглаживания 27 (см. фиг.3), который реализует следующий оператор экспоненциального сглаживания: y_n=½(x_n+y_n-1), т.е. с минимальной степенью сглаживания и, соответственно, с минимальным фазовым сдвигом (запаздыванием) выходной дискреты. Субблок 27 работает на обоих режимах, инициируется тактовыми импульсами со входа 26 в регистре 29, но используется только на переходном (динамическом) режиме. Для стационарного случайного процесса вероятность появления серии, например, из m=8 (восьми) отклонений от медианы (детерминированной основы) процесса одного знака подряд, в соответствии с геометрическим законом распределения вероятностей, равна:Transient (dynamic) mode can be caused by starting, accelerating, bending, switching from one stationary mode to another, etc., i.e. an almost abrupt change in the process. To smooth the input discrete sequence in transient modes (D = 1), a single-channel smoothing subunit 27 is used (see Fig. 3), which implements the following exponential smoothing operator: y _n = ½ (x _n + y _n-1 ), i.e. . with a minimum degree of smoothing and, accordingly, with a minimum phase shift (delay) of the output discrete. Subunit 27 operates in both modes, is initiated by clock pulses from input 26 in register 29, but is used only in transition (dynamic) mode. For a stationary random process, the probability of a series, for example, of m = 8 (eight) deviations from the median (deterministic basis) of a single sign in a row, in accordance with the geometric law of probability distribution, is:

P(x=m)=(½)^m=1/256≈0,004,P (x = m) = (½) ^m = 1 / 256≈0.004,

т.е. настолько мала, что можно считать появление такой серии началом переходного режима. Субблок 18 фиксирует такую серию и работает следующим образом. Так как для стационарного режима наиболее вероятны отклонения разных знаков, то при смене знака в сумматоре 4 с «плюс» на «минус» и наоборот срабатывают формирователи импульсов 19.1 или 19.2 и через элемент ИЛИ 20 сбрасывают в «0» счетчик 21 и триггер режима 23 (D=0). На динамическом режиме (формирователи 19 не срабатывают) на счетчик 21 (например, 4-х разрядный) непременно поступит восемь импульсов подряд с тактового входа 26. На выходе старшего разряда счетчика 21 установится логическая «1», высокий уровень сигнала которого обеспечит прохождение через первый элемент И 22.1 тактирующего импульса, который установит триггер режима 23 в «1» (D=1). Последний сигналом с инверсного выхода заблокирует работу субблока 5 действительных отклонений и, соответственно, субблока 14 единичных приращений, а высоким уровнем сигнала прямого выхода разрешит через второй элемент И 22.2 перезапись дискрет с одноканального субблока сглаживания 27 во второй реверсивный счетчик 17 результата сглаживания. По окончании переходного режима в сумматоре 4 неизбежно возникнут отклонения разных знаков, что приведет к срабатыванию формирователей импульсов 19 и, соответственно, к переключению триггера режима 23 в состояние «0» (стационарный режим сглаживания, D=0).those. so small that the appearance of such a series can be considered the beginning of a transitional regime. Subunit 18 captures such a series and works as follows. Since for the stationary mode the deviations of different signs are most likely, when the sign in the adder 4 changes from “plus” to “minus” and vice versa, the pulse shapers 19.1 or 19.2 are triggered and through the element OR 20 they reset counter 21 and trigger 23 to “0” (D = 0). In the dynamic mode (the shapers 19 do not work), the counter 21 (for example, 4-bit) will certainly receive eight pulses in a row from the clock input 26. At the output of the high-order bit of the counter 21, a logical “1” will be set, the high signal level of which will ensure passage through the first element And 22.1 clock pulse, which sets the trigger mode 23 in "1" (D = 1). The latter signal from the inverse output will block the operation of the subunit 5 of the actual deviations and, accordingly, the subunit of 14 unit increments, and by the high level of the direct output signal, it will allow the discretization from the single-channel smoothing subunit 27 to the second reversal counter 17 of the smoothing result through the second AND 22.2 element. At the end of the transition mode, in the adder 4, deviations of different signs will inevitably occur, which will lead to the operation of the pulse shapers 19 and, accordingly, to the switching of the trigger of mode 23 to the state “0” (stationary smoothing mode, D = 0).

Операции прогнозирования и адаптации выполняются за три такта, соответственно, 2-й, 3-й и 4-й. Формируются они серией из трех тактирующих импульсов от узла тактирования 31 (см. фиг.4). Тактирующий импульс с входа 26 обнуляет триггер 33 и записывает «1» в младший разряд сдвигового регистра 36. Тот же тактирующий импульс, задержанный элементом задержки 32 устанавливает в «1» триггер 33, разрешая тем самым прохождение импульсов от генератора 34 через элемент И 35 в регистр сдвига 36, на шинах младших разрядов которого («а», «б» и «в») и появляется вышеуказанная серия. Во 2-м такте производится запись ординаты текущей (первой) расчетной точки y_п в первый регистр 40 блока 39 регистровой памяти первого вычитателя 37. Одновременно происходит перезапись (сдвиг) всех предшествующих ординат в соседние регистры 40 (т.е. формируется предыстория входного процесса). На адресный вход мультиплексора 41 поступает код адреса (А) ординаты предыстории со счетчика адреса 69, равный коду адреса, записанному со второго управляющего входа 65 в регистр 64 хранения адреса перед началом работы устройства, и определяющий время (интервал) прогноза Н=AT. В соответствии с этим адресом ордината с выхода мультиплексора 41 (уже как вторая расчетная точка y_п-1) через блок инверторов 42 поступает на вход второго слагаемого сумматора 43, на входе первого слагаемого которого стоит удвоенная ордината предшествующей расчетной точки y_п. На выходе сумматора 43 первого вычитателя 37 устанавливается биразность 1-го уровня предыстории входной дискретной последовательности. В 3-м такте производятся операции, аналогичные описанным выше, но уже для второго 38 вычитателя, на выходе которого устанавливается биразность 2-го уровня предыстории. Все сумматоры в устройстве - комбинационные. По завершении 3-го такта на выходе субблока 44 в соответствии с формулой (4) устанавливается код оценки квадратичного (нелинейного) прогноза для нестационарной входной дискретной последовательности, на выходе субблока 48 в соответствии с формулой (5) - код оценки линейного прогноза для стационарной или медленно меняющейся входной дискретной последовательности, а на выходах 54, 57 и 62 блока 51 оценки первых производных в соответствии с формулами (9), (10) и (11) - коды этих оценок. В 4-м такте сигнал с выхода («в») регистра сдвига 36 узла тактирования 31 в зависимости от сочетания знаков первых производных устанавливает триггер 74 блока адаптации 3 в состояние «1» (квадратичный прогноз) или в «0» (линейный прогноз). Прямой выход триггера 74, как адресный вход мультиплексора 75, обеспечивает выбор и передачу на его единственный выход 76 мультиплексора и устройства соответствующего кода оценки прогноза.Prediction and adaptation operations are performed in three cycles, respectively, 2nd, 3rd and 4th. They are formed by a series of three clock pulses from the clock node 31 (see figure 4). A clock pulse from input 26 zeroes trigger 33 and writes “1” to the least significant bit of the shift register 36. The same clock pulse, delayed by delay element 32, sets trigger 33 to “1”, thereby allowing the pulses from generator 34 to pass through AND element 35 to shift register 36, on the tires of the least significant bits of which ("a", "b" and "c") the above series appears. In the 2nd step, the ordinate of the current (first) calculated point y _p is recorded in the first register 40 of the block 39 of the register memory of the first subtractor 37. At the same time, all previous ordinates are overwritten (shifted) to neighboring registers 40 (i.e., the input process history is formed ) At the address input of the multiplexer 41, the history ordinal address code (A) is received from the address counter 69, which is equal to the address code recorded from the second control input 65 in the address storage register 64 before the device starts operation and determines the forecast time (interval) Н = AT. In accordance with this address, the ordinate from the output of the multiplexer 41 (already as the second calculation point y _p-1 ) through the inverter block 42 is fed to the input of the second term of the adder 43, the first term of which is doubled the ordinate of the previous calculation point y _p . The output of the adder 43 of the first subtractor 37 sets the biodiversity of the 1st level of the history of the input discrete sequence. In the 3rd step, operations are performed similar to those described above, but already for the second 38 subtracters, at the output of which the biodiversity of the 2nd level of history is established. All adders in the device are combination. At the end of the third cycle, at the output of subunit 44, in accordance with formula (4), a quadratic (non-linear) prediction estimation code for a non-stationary discrete input sequence is set, at the output of subunit 48, in accordance with formula (5), a linear prediction estimation code for stationary or slowly varying input discrete sequence, and at the outputs 54, 57 and 62 of block 51, the estimates of the first derivatives in accordance with formulas (9), (10) and (11) are the codes of these estimates. In the 4th step, the signal from the output (“c”) of the shift register 36 of the clock unit 31, depending on the combination of the signs of the first derivatives, sets the trigger 74 of the adaptation unit 3 to the state “1” (quadratic forecast) or to “0” (linear forecast) . The direct output of the trigger 74, as the address input of the multiplexer 75, provides selection and transmission to its only output 76 of the multiplexer and the device of the corresponding forecast estimation code.

Узел управления динамикой прогноза 63 предназначен для исключения операции прогноза на динамических (переходных) режимах (D=1) работы устройства, путем сброса в «0» счетчика адреса 69 тактирующим сигналом (U₀) из субблока 18 управления динамической характеристикой блока сглаживания. Нулевой адрес счетчика 69 на адресных шинах мультиплексоров 41 обоих вычитателей обеспечит на все время переходного режима расчет и установку на выходах обоих субблоков прогноза 44 и 48 кода текущей дискреты y_n минимально сглаженного входного процесса. С переходом устройства на стационарный режим работы (D=0) триггер режима 23 субблока 18 разрешит прохождение тактирующего импульса со входа 26 через открытый элемент И 68 на счетный вход (U_a) счетчика адреса 69. С ростом адреса в последнем на выходах обоих субблоков прогноза 44 и 48 устанавливаются коды (y_n+1) прогнозируемого входного процесса с использованием информации из двухуровневой предыстории только для нового стационарного режима. Рост кода адреса h в счетчике 69 (h=aT, а=1, 2, 3, … А), т.е. восстановление заданного времени прогноза Н, будет продолжаться с каждым циклом до тех пор, пока он не станет равным заданному в регистре хранения 64 h=H. Компаратор 66 (режим работы: [H=h]→«1», [H≠h]→«0») в этом случае через ключ 67 и элемент И 68 закроет счетный вход счетчика адреса 69.The forecast dynamics control unit 63 is designed to exclude the forecast operation on the dynamic (transient) modes (D = 1) of the device operation by resetting the address 69 counter to a “0” by a clock signal (U ₀ ) from the sub-block 18 of the dynamic characteristic control of the smoothing block. The zero address of the counter 69 on the address lines of the multiplexers 41 of both subtractors will ensure the calculation and installation of the current discrete code y _{n of a} minimally smoothed input process at the outputs of both prediction subunits 44 and 48. With the transition of the device to the stationary mode of operation (D = 0), the trigger of mode 23 of subunit 18 will allow the clock pulse to pass from input 26 through open element And 68 to the counting input (U _a ) of address counter 69. As the address grows in the latter at the outputs of both forecast subunits 44 and 48, codes (y _{n + 1} ) of the predicted input process are set using information from a two-level history only for the new stationary mode. The growth of the address code h in the counter 69 (h = aT, a = 1, 2, 3, ... A), i.e. restoration of the specified forecast time H will continue with each cycle until it becomes equal to the value set in the storage register 64 h = H. The comparator 66 (operating mode: [H = h] → “1”, [H ≠ h] → “0”) in this case, through the key 67 and the element And 68 will close the counting input of the address counter 69.

Использование обоих операторов прогноза для контроля, слежения или управления параметрами в технических системах базируется на фундаментальных физических законах: закона инерции, законах сохранения энергии и движения, инерционности процессов нагрева/охлаждения и др., что позволяет (опираясь на предысторию процесса) рассчитывать на высокую степень надежности прогноза. О точности прогноза можно судить только по завершении события и если в период времени (интервала) прогноза не было форс-мажорных обстоятельств: удар, скачок, взрыв и т.п.The use of both prediction operators for monitoring, tracking, or controlling parameters in technical systems is based on fundamental physical laws: the law of inertia, the laws of conservation of energy and motion, the inertia of heating / cooling processes, etc., which allows (based on the background of the process) to rely on a high degree reliability of the forecast. The accuracy of the forecast can be judged only at the end of the event and if during the period of time (interval) of the forecast there were no force majeure circumstances: blow, jump, explosion, etc.

Claims

An adaptive digital predictive and differentiating device, which includes: a smoothing unit containing an adder, first and second reversible counters, a single-channel smoothing subunit from a series-connected adder and a register, a deviation ratio setting subunit containing a register, a counter and a delay element, a valid deviation subunit containing a block of inverters, two comparators and an element And, a subunit of unit increments, containing two elements And and an inverter, a subunit of control of dynamic x teristics, comprising two of the pulse, an OR gate, a counter, first, second and third AND elements and a trigger mode, a smoothing information output unit information, the first control inputs and the timing device; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; a prediction block containing the first and second subtractors, each of which contains a register memory block, a multiplexer, an inverter block and an adder, a quadratic prediction block containing an inverter block, a first and second adder, a second adder output is an information subblock output, a linear prediction sub block containing the adder and the inverter unit, the adder output is the information output of the subunit, the first derivative evaluation unit, containing the first subunit of calculating the first derivative in the first n-th (current) calculation point of the history of the predicted process from one adder, the output of which is the output of the subunit and the second information output of the device, the second subunit of calculating the first derivative in the second (n-1) -th calculation point of the history of one adder, the output of which is the output of the subunit and the third information output devices and the third subunit of calculating the first derivative in the third (n-2) -th calculation point of the history from the block of inverters, the first and second adders, the output of the latter is the output of the subunit and the fourth data output device; a forecast dynamics control unit containing a register for storing the ordinates of the ordinates (calculated points) of the history of the input process, the input of which is the second control input of the device that sets the time (interval) of the forecast, a comparator, an inverter, an AND element and an address counter whose information output is wired to address buses multiplexers of both subtractors and to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the address storage register, the output of the comparator through an inverter is connected to the first input of the element And, the second input which is connected to the output of the third element AND of the dynamic characteristic control subunit (SUDH) of the smoothing block, the output of the And element is connected to the counting input of the address counter, whose reset bus is “0” and is connected to the output of the second element AND SUDH of the smoothing block, characterized in that in the block of the prediction, an adaptation block is introduced containing the first and second EXCLUSIVE OR elements, the OR element, an inverter, the first and second AND elements, a trigger and a multiplexer, with the output of the sign p starting at the first input of the first EXCLUSIVE OR element the discharge of the second adder of the third subunit of the calculation of the first derivative, and the second input is the sign output of the adder of the second subunit of the calculation of the first derivative, the output of the same sign is connected to the first input of the second EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the output of the sign of the adder of the first calculation subunit the first derivative, the output of the second EXCLUSIVE OR element is connected to the second input of the OR element, the first input of which is connected to the output from the first EXCLUSIVE OR element, the output of the This OR is connected to the first input of the second AND element and through the inverter to the first input of the first AND element, and the second inputs of both AND elements are connected to the output bus ("C") of the shift register of the clock node of the forecast block, the output of the first AND element is connected to the installation bus in “1” of the trigger, and the output of the second element And to the zero input of the trigger, the direct (“1”) output of the latter is connected to the address input of the multiplexer, the information input buses of which are connected to the outputs of the sub-blocks of quadratic and linear forecasts, the output of the multiplexer is block adapting the first data output unit.