RU2446461C2

RU2446461C2 - Digital predictor

Info

Publication number: RU2446461C2
Application number: RU2010125731/08A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Саяфович Магданов (RU); Геннадий Саяфович Магданов; Юрий Анатольевич Рылов (RU); Юрий Анатольевич Рылов; Камиль Хабибович Гильфанов (RU); Камиль Хабибович Гильфанов; Андрей Геннадьевич Магданов (RU); Андрей Геннадьевич Магданов
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-03-27
Also published as: RU2010125731A

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: disclosed device includes a smoothing unit which comprises an arithmetic unit, a shift pulse generating unit, a deviation count pulse generating unit, a dynamic characteristic control unit, a deviation ratio setting unit, a first and a second bidirectional counter and a prediction unit clocking unit; a prediction unit, having a first, a second and a third substractor, each having a register storage unit, a multiplexer, an inverter unit and adder; a quadratic (nonlinear) prediction subunit, having a first and a second adder; a prehistory ordinate address register and a linear prediction subunit, having a first and a second adder.

EFFECT: high depth of prediction and broader functional capabilities by facilitating prediction for stationary and slow-varying random processes.

4 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 динамических системах реального времени (в т.ч. АСУТП) при регулировании, контроле и наведении различных 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 dynamic real-time systems (including process control systems) during the regulation, control and guidance of various objects.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа, устройство для адаптивной экстраполяции по авт. св. №1246775 (Авторское свидетельство СССР №1246775, кл. G06F 15/353, 1984), содержащее цифровой блок сглаживания по авт. св. №908165 (Авторское свидетельство СССР №908165, кл. G06F 15/31, H03H 17/04, 1980), блок экстраполяции, в состав которого входят три последовательно соединенных вычитателя, каждый из которых содержит блок регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор, и сумматор результата, выход которого является информационным выходом устройства для оценки квадратичного прогноза входной нестационарной (нелинейной) дискретной последовательности.The closest in technical essence to the claimed device is selected as a prototype, a device for adaptive extrapolation according to ed. St. No. 1246775 (USSR Author's Certificate No. 1246775, class G06F 15/353, 1984) containing a digital anti-aliasing unit according to ed. St. No. 908165 (USSR Author's Certificate No. 908165, class G06F 15/31, H03H 17/04, 1980), an extrapolation unit, which consists of three series-connected subtracters, each of which contains a register memory block, a multiplexer, an inverter block and an adder , and an adder of the result, the output of which is the information output of the device for estimating the quadratic prediction of the input non-stationary (non-linear) discrete sequence.

В этом устройстве за интервал экстраполяции (время прогноза) выбрана величина h=(2^K-1)·Т, где 2^K - апертура сглаживания (К - параметр адаптации), т.е. внутренний параметр блока, который зависит от уровня входной дисперсии сглаживаемого случайного процесса (больше дисперсия - больше апертура и наоборот); Т - цикл работы блока сглаживания, который, как правило, равен времени одного преобразования аналог - цифра (АЦП). Для современных 10 - 12-разрядных АЦП максимальное время преобразования можно принять за Т=1 мс. Практический диапазон изменения параметра сглаживания α=1/2^K=1/2 - 1/128 (Чуев Ю.В. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М., «Сов. радио», 1975, стр.149). Максимальный интервал экстраполяции (прогноза) в этом случае составит h=127 Т=0,127 с. Такое время не представляет интереса для прогноза в реальном масштабе времени. Например, для систем управления баллистическими объектами эффективное время прогноза (гарантированный контакт с объектом) может составить 5 - 10 секунд, для АСУТП (при поддержании заданных уставок технологических процессов малыми энергетическими затратами, когда они еще находятся в зоне допуска) такое время может составить 1 - 2 минуты.In this device, for the extrapolation interval (forecast time), the value h = (2 ^K -1) · T, where 2 ^K is the smoothing aperture (K is the adaptation parameter), i.e. the internal parameter of the block, which depends on the level of input variance of the smoothed random process (more variance - more aperture and vice versa); T is the cycle of operation of the smoothing unit, which, as a rule, is equal to the time of one analog-to-digital conversion (ADC). For modern 10 - 12-bit ADCs, the maximum conversion time can be taken as T = 1 ms. The practical range of variation of the smoothing parameter α = 1/2 ^K = 1/2 - 1/128 (Chuev Yu.V. Prediction of quantitative characteristics of processes. M., Sov. Radio, 1975, p. 149). The maximum extrapolation (forecast) interval in this case will be h = 127 T = 0.127 s. Such a time is not of interest for real-time forecasting. For example, for control systems for ballistic objects, the effective forecast time (guaranteed contact with the object) can be 5–10 seconds, for the process control system (while maintaining the specified process settings with low energy costs, while they are still within the tolerance zone), this time can be 1– 2 minutes.

Кроме того, в прототипе реализована квадратичная математическая модель прогноза, которая применима только для нелинейной детерминированной основы обрабатываемой нестационарной случайной дискретной последовательности.In addition, the prototype implements a quadratic mathematical prediction model that is applicable only to the non-linear deterministic basis of the processed non-stationary random discrete sequence.

Техническая задача для предлагаемого цифрового прогнозирующего устройства заключается в увеличении времени (глубины) прогноза и расширении его функциональных возможностей путем обеспечения прогноза для стационарных и медленно (линейно) меняющихся случайных процессов.The technical problem for the proposed digital predictive device is to increase the time (depth) of the forecast and expand its functionality by providing a forecast for stationary and slowly (linearly) changing random processes.

Решение указанной задачи достигается тем, что в цифровое прогнозирующее устройство, содержащее блок сглаживания по авт. св. №1047361 (Авторское свидетельство СССР №1047361, кл. H03H 17/04, 1982), в состав которого входят арифметический блок, блок формирования импульсов сдвига, блок генерации счетных импульсов по отклонениям, блок управления динамической характеристикой, блок задания соотношения отклонений, информационный вход которого является первым управляющим входом устройства, первый и второй реверсивные счетчики и узел тактирования блока прогноза, содержащий регистр сдвига, элемент И и триггер, вход установки в «0» которого соединен с тактирующим входом устройства и шиной записи регистра сдвига, а вход установки в «1» - с выходом счетчика блока формирования импульсов сдвига, прямой выход триггера заведен на первый вход элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора блока формирования импульсов сдвига, а выход элемента И соединен с шиной сдвига регистра сдвига узла, причем информационный и тактирующий входы блока сглаживания являются информационным и тактирующим входами устройства; блок прогноза, содержащий последовательно соединенные первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти для хранения ординат предыстории прогнозируемого процесса, мультиплексор, блок инверторов и сумматор, во всех вычитателях выходы последовательно соединенных регистров блока памяти заведены (начиная со второго) на информационные входы соответствующих мультиплексоров, а выходы последних - на входы соответствующих блоков инверторов, причем выходы инверторов первых двух вычитателей подключены к входам вторых слагаемых соответствующих сумматоров этих вычитателей, информационный выход блока сглаживания соединен с входом блока регистровой памяти первого вычитателя, с входом первого слагаемого сумматора второго вычитателя непосредственно, а с входом первого слагаемого сумматора первого вычитателя - с монтажным сдвигом шин на один разряд в сторону старших разрядов сумматора, выход сумматора первого вычитателя подключен к входу блока регистровой памяти второго вычитателя, выход мультиплексора первого вычитателя соединен со сдвигом шин на один разряд в сторону старших разрядов с входом первого слагаемого сумматора третьего вычитателя, вход второго слагаемого которого подключен к выходу блока инверторов второго вычитателя, а выход сумматора заведен на вход блока регистровой памяти третьего вычитателя; субблок квадратичного (нелинейного) прогноза, содержащий последовательно соединенные первый и второй сумматоры, входные шины первого слагаемого первого сумматора (монтажно сдвинутые при вводе в этот сумматор на один разряд в сторону старших разрядов) подсоединены к выходу мультиплексора первого вычитателя, а входные шины второго слагаемого (монтажно сдвинутые при вводе в этот сумматор на два разряда в сторону старших разрядов) - к выходу сумматора второго вычитателя, выход первого сумматора подключен к входу первого слагаемого второго сумматора, вход второго слагаемого которого соединен с выходом блока инверторов третьего вычитателя, выход второго сумматора субблока является первым информационным выходом устройства для оценки квадратичного прогноза входной нестационарной дискретной последовательности, введены регистр адреса ординат предыстории, задающий время (интервал) прогноза, вход которого является вторым управляющим входом устройства, а выход подключен к поразрядно объединенным адресным шинам мультиплексоров всех трех вычитателей, и субблок линейного прогноза, содержащий последовательно соединенные первый и второй сумматоры, причем выход сумматора первого вычитателя соединен со сдвигом на один разряд в сторону младших разрядов с входом первого слагаемого первого сумматора, вход второго слагаемого которого подключен к выходу мультиплексора первого вычитателя, выход первого сумматора соединен со входом первого слагаемого второго сумматора, а выход блока инвенторов третьего вычитателя подключен со сдвигом на один разряд в сторону младших разрядов к входу второго слагаемого второго сумматора, выход которого является вторым информационным выходом устройства для оценки линейного прогноза входной стационарной или медленноменяющейся дискретной последовательности.The solution to this problem is achieved by the fact that in a digital predictive device containing a smoothing unit according to ed. St. No. 1047361 (USSR author's certificate No. 1047361, class H03H 17/04, 1982), which includes an arithmetic unit, a unit for generating shear pulses, a unit for generating counted pulses from deviations, a unit for controlling the dynamic response, a unit for setting the ratio of deviations, an information input which is the first control input of the device, the first and second reversible counters and the clock unit of the forecast block, containing the shift register, the And element, and the trigger, the input of which is set to “0” which is connected to the clock input of the device a shift register write bus, and the unit input to “1” is with the output of the counter of the shift pulse generating unit, the direct output of the trigger is connected to the first input of the And element, the second input of which is connected to the output of the generator of the shift pulse generating unit, and the output of the And element is connected to the bus shift register shift node, and the information and clock inputs of the smoothing unit are information and clock inputs of the device; a prediction block containing the first, second and third subtractors connected in series, each of which contains a register memory unit for storing ordinates of the history of the predicted process, a multiplexer, an inverter unit and an adder; in all subtractors, the outputs of the connected memory block registers are wound up (starting from the second) to information inputs of the respective multiplexers, and the outputs of the latter to the inputs of the corresponding inverter blocks, and the outputs of the inverters of the first two subtractors are connected to To the second terms of the respective adders of these subtracters, the information output of the smoothing unit is connected directly to the input of the register memory block of the first subtractor, to the input of the first term of the adder of the second subtractor, and to the input of the first term of the adder of the first subtractor, with the busbar mounting by one bit to the higher digits the adder, the output of the adder of the first subtractor is connected to the input of the register block of the second subtractor, the output of the multiplexer of the first subtractor is connected to the offset ohm of buses for one bit in the direction of higher digits with the input of the first term of the adder of the third subtractor, the input of the second term of which is connected to the output of the inverter unit of the second subtractor, and the output of the adder is connected to the input of the register memory block of the third subtractor; a sub-block of a quadratic (non-linear) prediction, containing the first and second adders connected in series, the input buses of the first term of the first adder (mountingly shifted by one bit to the higher digits when entering this adder) are connected to the output of the first subtractor multiplexer, and the input buses of the second term ( shifted when entering into this adder by two digits towards the higher digits) - to the output of the adder of the second subtractor, the output of the first adder is connected to the input of the first term of the second the adder, the input of the second term of which is connected to the output of the inverter unit of the third subtracter, the output of the second adder of the subunit is the first information output of the device for estimating the quadratic prediction of the input non-stationary discrete sequence, the address register of ordinates of the history is entered, which sets the forecast time (interval), the input of which is the second control the input of the device, and the output is connected to the bitwise integrated address buses of the multiplexers of all three subtractors, and a subunit of linear a node containing the first and second adders connected in series, the output of the adder of the first subtractor being connected by a shift by one bit toward the lower digits with the input of the first term of the first adder, the input of the second term of which is connected to the output of the multiplexer of the first subtracter, the output of the first adder is connected to the input of the first of the second adder term, and the output of the third subtractor inventory block is connected with a shift by one digit towards the lower digits to the input of the second term of the second sum a matora, the output of which is the second information output of the device for evaluating a linear prediction of an input stationary or slowly varying discrete sequence.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - структурная электрическая схема цифрового блока сглаживания; на фиг.3 - блок прогноза; на фиг.4 - примеры результатов моделирования работы линейного и квадратичного операторов прогноза.Figure 1 presents a block diagram of the proposed device; figure 2 is a structural electrical diagram of a digital smoothing unit; figure 3 - forecast block; figure 4 - examples of simulation results of the linear and quadratic prediction operators.

В формулах интерполяции (экстраполяции) Ньютона и Лагранжа аппроксимирующий многочлен совпадает в определенных точках с заданной функцией. Однако в задачах реального времени параметры контролируемого или управляемого объекта определяются инструментально и, вследствие этого, подвержены случайным погрешностям. Метод наименьших квадратов исключает (или минимизирует) влияние этих отклонений и отражает общий (генеральный) ход этой функции.In the Newton and Lagrange interpolation (extrapolation) formulas, the approximating polynomial coincides at certain points with a given function. However, in real-time tasks, the parameters of a controlled or controlled object are determined instrumentally and, as a result, are subject to random errors. The least squares method eliminates (or minimizes) the influence of these deviations and reflects the general (general) course of this function.

Ниже приводятся формулы операторов прогноза, полученные с помощью аппроксимирующих многочленов по четырем точкам ординат предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М., «ИЛ», 1951, стр.212).The following are the formulas for the prediction operators obtained using approximating polynomials over four ordinates of the prehistory of the input random discrete process using the least squares method (Milne V.E. Numerical analysis. M., IL, 1951, p. 212).

Оператор прогноза по аппроксимирующему многочлену первой степени (линейному) по четырем точкам ординат предыстории имеет вид:The prediction operator for an approximating polynomial of the first degree (linear) at four points of the ordinates of the background has the form:

.

Оператор прогноза по аппроксимирующему многочлену второй степени (квадратичному) по четырем точкам ординат предыстории имеет вид:The prediction operator for an approximating polynomial of the second degree (quadratic) for four points of the ordinates of the background has the form:

где y_п - текущая ордината (точка);where y _p - current ordinate (point);

y_п-1, y_п-2, y_п-3 - соответственно, ординаты (расчетные точки) трехуровневой предыстории входной сглаженной дискретной последовательности. В численном анализе - это система равноотстоящих точек с шагом h, в реальном масштабе времени h - это интервал между ординатами (точками), т.е. время (глубина) прогноза.y _p-1 , y _p-2 , y _p-3 - respectively, the ordinates (calculated points) of the three-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 ordinates (points), i.e. time (depth) of the forecast.

Как известно, математический аппарат интерполяции, экстраполяции и численного дифференцирования базируется на понятии конечной разности: Δy¹=(y_п-y_п-1) - разность первого порядка и т.д. Обозначим Δy₁=(2y_п-y_п-1) - как биразность 1-го уровня предыстории, т.е. разность между удвоенной текущей и предыдущей ординатой, а Δy₂=y_п-(2y_п-1-y_п-2) - как биразность 2-го уровня предыстории и т.д.As you know, the mathematical apparatus of interpolation, extrapolation, and numerical differentiation is based on the concept of finite difference: Δy ¹ = (y _p -y _p-1 ) is the first-order difference, etc. Denote Δy ₁ = (2y _p -y _p-1 ) - as the biodiversity of the 1st level of the history, i.e. the difference between the doubled current and previous ordinates, and Δy ₂ = y _p - (2y _p-1 -y _p-2 ) - as the biodiversity of the 2nd level of history, etc.

Используя приведенные выше обозначения, модифицируем операторы прогноза (1) и (2) следующим образом:Using the above notation, we modify the prediction operators (1) and (2) as follows:

Схемная реализация приведенных операторов (3) и (4) в предложенном устройстве отличается простотой и высоким быстродействием, т.к. умножение на коэффициенты в (3) и (4) заменяются монтажным сдвигом (смещением шин) при вводе соответствующих операндов в сумматор, что эквивалентно следующим операциям целочисленной двоичной арифметики:The circuit implementation of the above operators (3) and (4) in the proposed device is simple and high speed, because multiplication by the coefficients in (3) and (4) is replaced by a mounting shift (bus offset) when the corresponding operands are entered into the adder, which is equivalent to the following operations of integer binary arithmetic:

а) умножение на 4 - монтажным сдвигом шин операнда на два разряда в сторону старших разрядов сумматора (влево);a) multiplication by 4 - mounting shift of the operand tires by two digits in the direction of the higher digits of the adder (to the left);

б) умножение на 2 - сдвигом шин на один разряд в сторону старших разрядов сумматора (влево);b) multiplication by 2 - by shifting the tires by one bit in the direction of the higher bits of the adder (to the left);

в) умножение на 1/2 - сдвигом шин на один разряд в сторону младших разрядов сумматора (вправо).c) multiplication by 1/2 - by shifting the tires by one bit in the direction of the least significant bits of the adder (to the right).

На блок-схеме предлагаемого устройства (фиг.3) такие монтажные операции обозначены кружочком.On the block diagram of the proposed device (figure 3) such installation operations are indicated by a circle.

Устройство содержит цифровой блок сглаживания 1 и блок прогноза 2 (см. фиг.1). Блок 1 содержит (см. фиг.2) арифметический блок 3, включающий в себя сумматор 4, регистр сдвига 5, второй сумматор 6, запоминающий регистр 7, информационный вход блока и устройства 8 и выход блока 9; блок формирования импульсов сдвига 10, содержащий триггер 11, элемент И 12, генератор 13 и счетчик 14; блок генерации 15 счетных импульсов по отклонениям, содержащий группу инверторов 16, группы элементов И-НЕ 17 и элемент И 18; блок управления динамической характеристикой 19, содержащий формирователи импульсов 20 сброса в «0», элемент ИЛИ 21, счетчик 22 действительных отклонений одного знака подряд, триггер 23, элемент И 24 и элемент задержки 29; первый 30 и второй 31 реверсивные счетчики, первый управляющий 32 и тактирующий 33 входы устройства, узел тактирования 34 блока прогноза, содержащий регистр сдвига 35, триггер 36 и элемент И 37. Блок прогноза 2 (см. фиг.3) содержит первый 38, второй 39 и третий 40 вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти 41 из (А) последовательно соединенных регистров 42, мультиплексор 43, блок инверторов 44 (в предположении, что мультиплексор не имеет инверсных выходов) и сумматор 45, причем третий вычитатель 40 отличается от первых двух тем, что его сумматор 45 стоит не на выходе, а на входе; первый субблок 46 квадратичного прогноза, содержащий первый 47 и второй 48 сумматоры, выход 49 субблока является первым информационным выходом устройства для оценки квадратичного прогноза нелинейной дискретной последовательности; второй субблок 50 линейного прогноза, содержащий первый 51 и второй 52 сумматоры, а выход последнего, подключенный к выходу 53 субблока, является вторым информационным выходом устройства для оценки линейного прогноза входной стационарной или медленноменяющейся дискретной последовательности; регистр 54 адреса (А) ординат расчетных точек предыстории прогнозируемого процесса, вход 54 которого является вторым информационным входом устройства, задающим время (интервал) прогноза h=AT.The device comprises a digital smoothing unit 1 and a prediction unit 2 (see figure 1). Block 1 contains (see Fig. 2) an arithmetic block 3, which includes an adder 4, a shift register 5, a second adder 6, a memory register 7, the information input of the block and device 8 and the output of block 9; a unit for generating shear pulses 10, comprising a trigger 11, an AND element 12, a generator 13, and a counter 14; a unit for generating 15 counting pulses by deviations, comprising a group of inverters 16, a group of AND-NOT 17 elements, and an AND 18 element; a dynamic characteristic control unit 19, comprising pulse shapers 20 of reset to “0”, an OR element 21, a counter 22 of actual deviations of one sign in a row, a trigger 23, an And 24 element, and a delay element 29; the first 30 and second 31 reversible counters, the first control 32 and clock 33 inputs of the device, the clock node 34 of the forecast block containing the shift register 35, the trigger 36 and the element And 37. The forecast block 2 (see figure 3) contains the first 38, the second 39 and the third 40 subtractors, each of which contains a block of register memory 41 of (A) series-connected registers 42, a multiplexer 43, a block of inverters 44 (assuming that the multiplexer does not have inverse outputs) and an adder 45, the third subtractor 40 being different from the first two so that its sum 45 is not on the outlet and the inlet; the first sub-block 46 of the quadratic prediction containing the first 47 and second 48 adders, the output 49 of the sub-block is the first information output of the device for evaluating the quadratic prediction of a nonlinear discrete sequence; the second linear prediction subunit 50 containing the first 51 and second 52 adders, and the output of the latter, connected to the subunit output 53, is the second information output of the device for estimating the linear prediction of an input stationary or slowly varying discrete sequence; the register 54 of the address (A) of the ordinates of the calculated points of the history of the predicted process, the input 54 of which is the second information input of the device that sets the forecast time (interval) h = AT.

Блок сглаживания 1 (см. фиг.2) реализует рекурсивный алгоритм экспоненциального сглаживания:Block smoothing 1 (see figure 2) implements a recursive algorithm of exponential smoothing:

где x_п и y_п-1 - входная и выходная дискреты исходного и сглаженного случайного процесса;where x _p and y _p-1 - input and output discretes of the original and smoothed random process;

α=1/2^к - параметр сглаживания, причем 2^к - апертура сглаживания, к=1, 2, 3, …K - параметр адаптации.α = 1/2 ^k is the smoothing parameter, and 2 ^k is the smoothing aperture, k = 1, 2, 3, ... K is the adaptation parameter.

Цикл работы арифметического блока 3 состоит из трех тактов, каждый из которых выполняет операции вычитания, деления и сложения в (5). В первом такте сигнал с входа 33 поступает на шину записи регистра сдвига 5 и фиксирует в нем код (x_п-y_п-1). Этот же сигнал переписывает во втором такте код К из реверсивного счетчика 31 (в инверсном коде) в счетчик 14 блока формирования 10. Последний формирует серию из К импульсов сдвиги вправо, которые фиксируют в регистре 5 результат деления (x_п-y_п-1)/2^K. По завершении работы блока 10 счетчик 14 выработает импульс переполнения (прямого переноса), который зафиксирует в третьем такте в регистре 7 результат сложения y_п+(x_п-y_п-1)/2^K.The operation cycle of the arithmetic unit 3 consists of three clock cycles, each of which performs the operations of subtraction, division and addition in (5). In the first cycle, the signal from input 33 enters the write bus of the shift register 5 and fixes the code in it (x _p -y _p-1 ). In the second clock, the same signal rewrites the code K from the reverse counter 31 (in the inverse code) to the counter 14 of the forming unit 10. The latter generates a series of K pulses shifts to the right, which record the division result in register 5 (x _п -y _п-1 ) / 2 ^K. Upon completion of the operation of block 10, the counter 14 will generate an overflow (direct transfer) pulse, which will record in the third clock in register 7 the result of addition y _p + (x _p -y _p-1 ) / 2 ^K.

Адаптивное управление параметром сглаживания, обеспечивающее постоянство выходного значения дисперсии сглаженного процесса независимо от степени ее изменчивости на входе, производится следующим образом. При неизменном уровне входной дисперсии в реверсивном счетчике 31 устанавливается определенный код К. Действительные отклонения обоих знаков (т.е. отклонения, которые превышают апертуру сглаживания (x_п-y_п-1)>2^K и участвуют в формировании выходной дискеты y_п) в блоке 15 с помощью групп инверторов 16, элементов И-НЕ 17, элемента И 18 и стробирования от блока формирования 10 преобразуются в импульсы, поступающие на суммирующий вход реверсивного счетчика 30, в котором они компенсируются поступающими на его вычитающий вход импульсами от счетчика 28 блока задания соотношения 26 между действительными и нулевыми ((x_п-y_п-1)>2^K) отклонениями. При повышении (или понижении) уровня входной дисперсии нарушается состояние динамического равновесия в реверсивном счетчике 30 и последний соответственно через шины прямого (или обратного) переноса увеличивает (или уменьшает) код количества сдвигов К в реверсивном счетчике 31. Таким образом, на выходе 9 автоматически поддерживается постоянный уровень дисперсии сглаженного процесса, соответствующий требуемой степени сглаживания, задаваемый соотношением d перед началом работы устройства с первого управляющего входа 32 в регистр 27 блока 26, последний работает как управляемый делитель частоты.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. At a constant level of input dispersion, a specific code K is set in the reverse counter 31. Actual deviations of both signs (i.e., deviations that exceed the smoothing aperture (x _p -y _p-1 )> 2 ^K and participate in the formation of the output floppy y _p ) in block 15, using groups of inverters 16, AND-NOT elements 17, AND element 18, and gating from the forming unit 10, they are converted into pulses arriving at the summing input of the reversible counter 30, in which they are compensated by pulses received from the counting input from the counter 28 bl Single assignment ratio of 26 between the actual and zero ((x _n -y _n-1)> 2 ^K) deviations. By increasing (or lowering) the level of input dispersion, the state of dynamic equilibrium in the reversible counter 30 is violated, and the latter, respectively, through the direct (or reverse) transfer buses increases (or decreases) the code of the number of shifts K in the reversible counter 31. Thus, output 9 is automatically maintained a constant level of dispersion of the smoothed process corresponding to the required degree of smoothing, defined by the ratio d before starting the operation of the device from the first control input 32 to register 27 of block 26, the last one works as a controllable frequency divider.

Блок 19 управления динамической характеристикой автоматически переключает блок сглаживания 1 со стационарного режима на переходный (динамический) и обратно. Переходный режим может быть вызван, например, ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой и т.п. Для стационарного случайного процесса вероятность появления серии, например, из М=8 отклонений от медианы (детерминированной основы процесса) одного знака подряд в соответствии с геометрическим законом распределения равна:The dynamic response control unit 19 automatically switches the smoothing unit 1 from stationary mode to transitional (dynamic) mode and vice versa. The transition mode can be caused, for example, by acceleration, bend, transition from one stationary mode to another, etc. For a stationary random process, the probability of a series, for example, from M = 8 deviations from the median (deterministic basis of the process) of one sign in a row in accordance with the geometric distribution law is:

т.е. настолько мала, что можно считать появление такой серии началом переходного режима. Блок 19 фиксирует такую серию и работает следующим образом. С началом переходного режима от блока генерации 15 на вход счетчика 22 (например, 3- разрядного) поступит М=8 импульсов действительных отклонений одного знака подряд. Счетчик 22 выработает импульс прямого переноса, который установит в «1» триггер 23. Последний разрешает прохождение стробирующего импульса через элемент задержки 25 и элемент И 24 для обнуления реверсивных счетчиков 30 и 31. Инверсный код количества сдвигов (в данном случае двоичный код K=111…1) с реверсивного счетчика 31 тактовым сигналом с входа 33 перед каждым циклом переписывается в счетчик 14 и последний (работающий в режиме сложения до переполнения) выработает только один импульс сдвига вправо.those. so small that the appearance of such a series can be considered the beginning of a transitional regime. Block 19 captures such a series and works as follows. With the beginning of the transition mode from the generation unit 15, the input of the counter 22 (for example, 3-bit) will receive M = 8 pulses of real deviations of the same sign in a row. The counter 22 will generate a direct transfer pulse, which will set the trigger 23 to “1.” The latter allows the gating pulse to pass through the delay element 25 and the And 24 element to reset the counters 30 and 31 to zero. Inverse code of the number of shifts (in this case, the binary code K = 111 ... 1) from the reverse counter 31, the clock signal from the input 33 before each cycle is transferred to the counter 14 and the last one (operating in the addition mode to overflow) will generate only one right shift pulse.

Таким образом, на все время переходного режима устанавливается минимальная степень сглаживания (К=1, α=1/2) и соответственно минимальное запаздывание (фазовый сдвиг). Обнуление счетчика 30 исключает его воздействие на счетчик 31 на этом режиме.Thus, the minimum degree of smoothing (K = 1, α = 1/2) and, accordingly, the minimum delay (phase shift) are set for the entire time of the transition regime. Zeroing the counter 30 eliminates its effect on the counter 31 in this mode.

По окончании переходного режима объекта контроля или управления и выхода его на стационарный режим работы в регистре 5 неизбежно возникнут отклонения разных знаков, а при смене знака с «+» на «-» и наоборот начинают срабатывать формирователи импульсов 20, которые через элемент ИЛИ 21 обнулят счетчик 22 и триггер 23, исключив тем самым влияние блока управления 19 на работу блока сглаживания на стационарном режиме.At the end of the transition mode of the object of control or control and its entry into the stationary mode of operation in register 5, deviations of different signs will inevitably occur, and when the sign changes from “+” to “-” and vice versa, pulse shapers 20 will start to work, which through the OR element 21 will reset the counter 22 and the trigger 23, thereby eliminating the influence of the control unit 19 on the operation of the smoothing unit in stationary mode.

Операция прогнозирования выполняется также за три такта, соответственно 4-й, 5-й и 6-й. Причем формируются они серией из трех тактирующих импульсов от узла тактирования 34 в блоке сглаживания 1. Если в 1-м такте последнего тактирующий импульс с входа 33 обнуляет триггер 36 и записывает «1» в младший разряд сдвигового регистра 35, то в 3-м такте импульс записи результата сглаживания от счетчика 14 блока 10 формирования импульсов сдвига устанавливает в «1» триггер 36, разрешая тем самым прохождение импульсов от генератора 13 блока 10 в регистр сдвига 35, на шинах младших разрядов которого («а», «б», «в») и вырабатывается последовательно вышеуказанная серия.The forecasting operation is also performed in three cycles, respectively the 4th, 5th and 6th. Moreover, they are formed by a series of three clock pulses from the clock node 34 in the smoothing unit 1. If in the 1st step of the last, the clock pulse from input 33 resets trigger 36 and writes “1” to the low order of shift register 35, then in the 3rd step the pulse of recording the smoothing result from the counter 14 of the block for generating the shear pulses sets the trigger 36 to “1”, thereby allowing the passage of pulses from the generator 13 of the block 10 to the shift register 35, on the low-order buses of which (“a”, “b”, “ c ") and is produced sequentially above It seemed series.

В 4-м такте производится запись текущей ординаты y_п (первая расчетная точка предыстории сглаженного процесса в операторах прогноза (1) и (2)) в первый регистр 42 блока 41 первого вычитателя 38. Причем одновременно происходит перезапись (сдвиг) всех предшествующих ординат в соседние регистры 42. На адресный вход мультиплексора 43 поступает код адреса А ординаты предыстории с регистра 54, записанный со второго управляющего входа 55 перед началом работы устройства и определяющий время (интервал) прогноза h=AT. С выхода блока инверторов 44 инверсное значение этой ординаты поступает на вход сумматора 45, на выходе которого устанавливается биразность (Δy₁) первого уровня предыстории прогнозируемого процесса. В 5-м такте аналогичным образом на выходе второго вычитателя 39 устанавливается биразность (Δy₂) второго уровня предыстории процесса. В 6-м такте третий вычитатель 40 формирует, хранит и выдает третью расчетную точку (y_п-3) предыстории прогнозируемого процесса. Первый субблок 46 реализует оператор квадратичного прогноза (4) [КВ4] по четырем расчетным точкам предыстории прогнозируемого входного сглаженного процесса и выдает на первый информационный выход 49 устройства оценку квадратичного прогноза нелинейной входной дискретной последовательности. Второй субблок 50 реализует оператор линейного прогноза (3) [ЛН4] и выдает на второй информационный выход 53 устройства оценку линейного прогноза стационарной или медленноменяющейся входной дискретной последовательности. Все сумматоры в устройстве - комбинационные. В таблице и на фиг.4 представлены два примера прогнозирования по обоим операторам: линейного [ЛН4] и квадратичного [КВ4]. Как видно по результатам моделирования, для примера №1 предпочтителен квадратичный [КВ4] оператор прогноза, а для примера №2 - линейный [ЛН4].In the 4th step, the current ordinate y _p (the first calculated point in the history of the smoothed process in the prediction operators (1) and (2)) is recorded in the first register 42 of block 41 of the first subtractor 38. Moreover, all previous ordinates are overwritten (shifted) to neighboring registers 42. At the address input of the multiplexer 43, the address code A of the history ordinate from register 54 is recorded from the second control input 55 before the device starts operation and determines the forecast time (interval) h = AT. From the output of the block of inverters 44, the inverse value of this ordinate is fed to the input of the adder 45, the output of which sets the biodiversity (Δy ₁ ) of the first level of the history of the predicted process. In the 5th step, in a similar manner, at the output of the second subtractor 39, the biodiversity (Δy ₂ ) of the second level of the process history is established. In the 6th step, the third subtractor 40 generates, stores and issues the third calculated point (y _p-3 ) of the history of the predicted process. The first subunit 46 implements the quadratic prediction operator (4) [KB4] for four calculation points of the history of the predicted smoothed input process and provides the first information output 49 of the device with an estimate of the quadratic prediction of the nonlinear input discrete sequence. The second subunit 50 implements the linear prediction operator (3) [LH4] and issues to the second information output 53 of the device an estimate of the linear prediction of a stationary or slowly varying input discrete sequence. All adders in the device are combinational. The table and figure 4 presents two examples of forecasting for both operators: linear [LH4] and quadratic [KB4]. As can be seen from the simulation results, for example No. 1, the quadratic [KB4] forecast operator is preferable, and for example No. 2, the linear [ЛН4] is preferred.

ПримерExample y_п-3 y _p-3 y_п-2 y _p-2 y_п-1 y _p-1 y_п y _p y_п+1 [КВ4]y _{p + 1} [KB4] y_п+1 [ЛН4]y _{p + 1} [LH4] №1No. 1 1010 2727 3838 4343 4242 5757 №2Number 2 110110 105105 108108 100one hundred 6262 9999

Если принять время цикла работы устройства (из 6-ти тактов) за Т=8 мс, а время прогноза (например, для баллистических объектов) h=8 с, то объем ячеек (регистров) в блоке регистровой памяти в каждом вычитателе должен составить А=h/T=8000/8=1000 шт. Для АСУТП цикл работы (без ущерба для точности) можно увеличить до Т=90 мс, тогда время прогноза при этом объеме регистровой памяти (1000 ячеек) может составить 1,5 мин.If we take the cycle time of the device (from 6 cycles) for T = 8 ms, and the forecast time (for example, for ballistic objects) h = 8 s, then the volume of cells (registers) in the register memory block in each subtractor should be A = h / T = 8000/8 = 1000 pcs. For the process control system (without sacrificing accuracy), the operation cycle can be increased to T = 90 ms, then the forecast time for this volume of register memory (1000 cells) can be 1.5 minutes.

Успешное использование обоих операторов в технических системах может базироваться на фундаментальных физических законах: закона инерции, законах сохранения энергии и движения, инерционности нагрева/охлаждения и др., что позволяет рассчитывать на высокую степень надежности прогноза. О точности прогноза можно судить только по завершении события, и то если в период времени (интервала) прогноза не было форс-мажорных обстоятельств: удар, скачок, взрыв и т.п.The successful use of both operators in technical systems can be based on fundamental physical laws: the law of inertia, the laws of conservation of energy and motion, the inertia of heating / cooling, etc., which allows us to expect a high degree of reliability of the forecast. The accuracy of the forecast can be judged only at the end of the event, and then if during the period of time (interval) of the forecast there were no force majeure circumstances: blow, jump, explosion, etc.

Claims

A digital predictive device containing a smoothing unit, which includes an arithmetic unit, a unit for generating shear pulses, a unit for generating counted pulses by deviations, a dynamic characteristic control unit, a unit for setting the deviation ratio, the information input of which is the first control input of the device, the first and second reversible counters and the clock node of the forecast block, the information and clock inputs of the smoothing block are information and clock inputs stroystva; a prediction block containing the first, second and third subtractors connected in series, each of which contains a register memory unit for storing ordinates of the history of the predicted process, a multiplexer, an inverter unit and an adder; in all subtractors, the outputs of the connected memory block registers are wound up (starting from the second) to information inputs of the respective multiplexers, and the outputs of the latter to the inputs of the corresponding inverter blocks, and the outputs of the inverters of the first two subtractors are connected to To the second terms of the respective adders of these subtracters, the information output of the smoothing unit is connected directly to the input of the register memory block of the first subtractor, to the input of the first term of the adder of the second subtractor, and to the input of the first term of the adder of the first subtractor, with the busbar mounting by one bit to the higher digits the adder, the output of the adder of the first subtractor is connected to the input of the register block of the second subtractor, the output of the multiplexer of the first subtractor is connected to the offset ohm of buses for one bit in the direction of higher digits with the input of the first term of the adder of the third subtractor, the input of the second term of which is connected to the output of the inverter unit of the second subtractor, and the output of the adder is connected to the input of the register memory block of the third subtractor; a sub-block of a quadratic (non-linear) prediction, containing the first and second adders connected in series, the input buses of the first term of the first adder (mountingly shifted by one bit to the higher bits when entering this adder) are connected to the output of the first subtractor multiplexer, and the input buses of the first term ( shifted when entering into this adder by two digits towards the higher digits) - to the output of the adder of the second subtractor, the output of the first adder is connected to the input of the first term of the second the adder, the input of the second term of which is connected to the output of the inverter unit of the third subtractor, the output of the second adder of the subunit is the first information output of the device for estimating the quadratic prediction of the input non-stationary discrete sequence, characterized in that the address register of the ordinates of the history is entered, which sets the forecast time (interval), input which is the second control input of the device, and the output is connected to the bitwise integrated address buses of the multiplexers of all three subtractors, and a linear prediction block containing the first and second adders connected in series, the output of the adder of the first subtractor being connected by a shift by one bit toward the lower digits with the input of the first term of the first adder, the input of the second term of which is connected to the output of the multiplexer of the first subtracter, the output of the first adder is connected to the input of the first term of the second adder, and the output of the inventor block of the third subtractor is connected with a shift by one digit in the direction of the lower digits to the input of the second proposed second adder, the output of which is the second information output of the device for evaluating the linear prediction of the input stationary or slowly varying discrete sequence.