Устройство для квантования случайных процессов

Устройство для квантования случайных процессов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее блок вычитания, блок усреднения, блок задания констант, блок управления, состоящий из регистра, элемента И, элемента НЕ, счетчика, порогового элемента и генератора импульсов, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен.к первому входу порогового элемента, второй вход которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу регистра, второй вход элемента И объединен с входом элемента НЕ и подключен к выходу порогового элемента, выход элемента И соединен с управляющим входом первого блока памяти, аналого-цифровой преобразователь , управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход является выходом устройства, блок выборки адреса, отличающееся тем, что, с целью повышения его быстродействия, введены ВТОРОЙ блок памяти, первый и второй элементы И, первый и второй делители , счетчик импульсов, амплитудный селектор, блок масштабирования и коммутатор , информационные входы которого являются соответственно информационными входами устройства, а информационный выход коммутатора соединен с первым входом первого элемента И ,и информационным входом аналого-цифров ого преобразователя, второй вход первого элемента И соединен с выходом элемента НЕ блока управления, а выход первого элемента И подключен к информационному входу первого блока памяти и входу блока усредне 1ия, I выход которого соединен с первым входом амплитудного селектора, второй (Л вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход амплис тудного селектора соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом первого делителя , второй вход которого подключен к выходу порогового элемента блока управления, а выход через блок масштабирования соединен с первыми входами блока вычитания и второго элемента И, выход второго элемента И подключен к информационно му входу второго блока памяти, выход которого соединен с входом делителя частоты, с вторым входом блока вычитания и с первым входом второго делителя , второй вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к блоку задания констант, а выход соединен с вторым входом второго элемента И и с управляющим вхо дом второго блока памяти, адресный

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН 5ц G 06 F 15/36 с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3409682/18-24 (22) 18.03.82 (46) 07.04.84. Вюл. №- 13 (72) P.З.Валиуллин, Е.В.Кузнецов и Н.Н.Русанов (71) Специальное проектно-конструкторское бюро средств автоматизации нефтедобычи и нефтехимии "Нефтехимпромавтоматика" (53) 681.3 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 474935, кл. Н 03 К 13/16, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 557373, кл. G 06 F 15/36, 1977 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВАНИЯ

СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее блок вычитания, блок усреднения, блок задания констант, блок управления, состоящий из регистра, элемента И, элемента НЕ, счетчика, порогового элемента и генератора импульсов, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подкпючен к первому входу порогового элемента, второй вход которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу регистра, второй вход элемента И объединен с входом элемента

НЕ и подключен к выходу порогового элемента, выход элемента И соединен с управляющим входом первого блока памяти, аналого-цифровой преобразователь, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход является выходом устройства, блок выборки адреса, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения его быстродействия, введены второй блок памяти, первый и второй

„„SU„„1084812 A элементы И, первый и второй делители, счетчик импульсов, амплитудный селектор, блок масштабирования и коммутатор, информационные входы которого являются соответственно информационными входами устройства, а инфор. мационный выход коммутатора соединен с первым входом первого элемента И ,и информационным входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход первого элемента И соединен с выходом элемента НЕ блока управления, а выход первого элемента И подключен к информационному входу первого блока памяти и входу блока усреднения, выход которого соединен с первым входом амплитудного селектора, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход ампли тудного селектора соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента блока управления, а выход через блок масштабирования соединен с первыми входами блока вычитания и второго элемента И, выход второго элемента И подключен к информационно му входу второго блока памяти, выход которого соединен с входом делителя частоты, с вторым входом блока вычитания и с первым входом второго делителя, второй вход которого подключен к выходу блока вычитания, а выход соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к блоку задания констант, а выход соединен с вторым входом второго элемента И и с управляющим вхо дом второго блока памяти, адресный

1 вход которого объединен с управляющим входом коммутатора и

1084812 подключен к выходу блока выборки адреса .

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в системах сбора информации со стохастических объектов, например с объектов нефтяного производства.

Известно устройство для квантования случайных процессов, содержащее

% аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом устройства, блок вычитания и блок управления 1.).

Недостатками этого устройства являются низкая точность квантования случайного процесса и малое быстродействие при анализе большой совокупности случайных процессов (более ста) .

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для квантования случайных и процессов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходом устройства, делитель частоты, выход которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, блок усреднения, первый блок памяти, блок вычитания, задатчик относительной ошибки и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого блока памяти (2 j.

Однако в известном устройстве при существенном изменении характера протекания процесса необходимо производить корректировку его интервала квантования, что связано со сложным преобразованием (с определением автокорреляционной функции, вычислением ее приращения и соответствующего ему времени спада) и, следовательно, с низким быстродействием.

Если при изменении характера протекания процесса не осуществлять корректировку интервала квантования, это приводит либо к недостаточной точности при последующем восстановлении исходного непрерывного процесса, если процесс стал более динамичным, либо к избыточной точности, если процесс стал менее динамичным, что увеличивает длительность последующей обработки квантованного сигнала.

Для объектов нефтяного производства характерно наличие большого количества (более ста) контролируемых параметров, являющихся кусочно-стационарными случайными процессами, что при использовании известного устройства обусловливает низкое быстродействие работы и недостаточную точность квантования.

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для квантования случайных процессов, содержащее блок вычитания, блок усреднения, блок задания констант, блок управления, состоящий из регистра, элемента И, элемента НЕ, счетчика, порогового элемента и генератора импульсов, выход которого соединен с входом счетчика, выход которого подключен к первому входу порогового элемента, второй вход которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу регистра, второй вход элемента И объединен с входом элемента НЕ и подключен к выходу порогового элемента, выход элемента

И соединен с управляющим входом первого блока памяти, аналого-цифровой преобразователь, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход является выходом устройства, блок выборки адреса, введены второй блок памяти, первый и второй элементы И, первый и второй делители, счетчик импульсов, амплитудный селектор, блок масштабирования и коммутатор, информационные входы которого являются соответственно информационными входами устройства, а информационный выход коммутатора соединен с первым входом первого элемента И и информационным:входом аналого-цифрового преобра1084

= 2à (1-р(7.1), (11

= о, г ыЯ„л-", +с(.IVI)(g (1.1)-1 оС2 2 и>вате;Ilsl второй вход первого элемента И соединен с выходом элемента

11Е блока управления, а выход первого элемента И подключен к информационному входу первого блока памяти и

5 входу блока усреднения, выход которого соединен с первым входом амплитудного селектора, второй вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход амплитудного селектора соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с первым входом первого делителя, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента блока управления, а выход через блок масштабирования

15 соединен с первыми входами блока вычитания и второго элемента И, выход второго элемента И подключен к информационному входу второго блока

20 памяти, выход которого соединен с входом делителя частоты, с вторым входом блока вычитания и с первым входом второго делителя, второй вход которого подключен к выходу блока

25 вычитания, а выход соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к блоку задания констант, а выход соединен с вторым входом второго элемента И и с управляющим входом второго блока памяти, адресный вход которого объединен с управляющим входом коммутатора и подключен к выходу блока выборки адреса.

При такой схемной реализации каж- З5 дый случайный процесс квантуется с соответствующим интервалом квантования, определяемым по формуле где с — интервал квантования, ч ;

o оп — допустимая относительная погрешность ступенчатой аппроксимации случайного процесса-, — средняя частота следования потока импульсов случайного процесса с его средним уровнем, ч

Формула (1) следует из теории аппроксимации и теории выбросов случайных процессов. Из теории аппроксимации случайных процессов известно, что средняя квадратичная погрешность ступенчатой аппроксимации6о„„связана с интервалом квантования ь и нормиро.

812 4 ванной автокорреляционной функцией (ЛКФ) р (i) процесса зависимостью где 6 2 — дисперсия процесса.

Из теории ныбросон известно, что для дифференцируемого нормального стационарного случайного процесса формула для определения средней частоты следования Л потока импульсон совпадения случайного процесса с заданным уровнем может быть записана следующим образом где g 1 — вторая производная нормированной автокорреляционной функции процесса

m — математическое ожидание пр х цесса .

Для объектов нефтяного произвоЛстна характерны случайные процессы с АКФ вида р() (1+о((il) хр(о(t tI) (4) где cl — параметр АКФ, вторая производная p"(o) для которых равна у (о) =-оС . (1

Подставляя выражение (5) н (3), получаем (C.-rn ) = = ехр — i (ь) с Я 2

Х откуда вытекает, что средняя часто— та следования Л потока импульсов совпадения случайного процесса с его математическим ожиданием, т.е. при С = шх, определяется выражением

Ь (. (1i

Н

Поскольку погрешность 6 должна с оп быть весьма малой, интервал квантования должен быть значительно меньше интервала корреляции АКФ. Для это го случая, разлагая выражение (4) в ряд Тейлора при малых, имеем

Й =2* и-1 с -. -2ь т- (ei откуда следует

$ 2 дпп 2 2 2

62 х (о) 0

Из равенства (10) с учетом выражения (7) следует

6 опп 2 2 —,22

>2 х г с пп

Отношение 2 представляет относительную среднюю квадратичную погрешность ступенчатой аппроксима20 ции.

Задаваясь допустимым значением относительной погрешности аппрокси— мации и с учетом численных значений из выражения (11) получаем

225 доп

В предлагаемом устройстве квантоьание случайных процессов осуществляется с интервалами Г„, которые определяются по формуле (12) на основе измерения средних частот следо35 ьания 3 потоков импульсов совпаде1 ния случайных процессов и их средних уровней.

Одновременно с квантованием i-ro случайного процесса с интервалом квантования ь; происходит измерение средних частот 3, и определение соответствующих интервалов квантования ,"ь 1 1 л

Если окажется что 1 1 " AC0

9

) .

"1

4Ф и где „ - допустимая относительная ошибка для i-го случайного процесса, случайный процесс в последующем кван гf туется с новым интервалом

Таким образом, при существенном изменении характера случайного процесса устройство автоматически корректирует соответствующий интервал квантования Т;, обеспечивая требуемую погрешность аппроксимации и высокое быстродействие.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на

5 "; 0848

Подставляя выражение (8) в (2), получаем фиг . 2 — функ циональн ая схема о управления.

Устройство содержит коммутатор 1, первый 2 и второй 3 блоки памяти, блок 4 усреднения, аналого-цифровой преобразователь 5, амплитудный селектор 6, схему 7 сравнения, счетчик 8 импульсов, блок 9 вычитания, первый

10 и второй 11 элементы И, блок 12 задания констант ошиоки, блок 13 масштабирования, делитель 14 4частоты, первый 15 и второй 16 делители и блок

17 управления.

Блок 13 масштабирования содержит узел 18 задания î — íîñèòåëüíîé допустимой погрешности аппроксимации, узел

19 извлечения квадратного корня, узел 20 умножения, узел 21 задания констант и делитель 22, причем его второй вход является входом блока 13., а первый вход соединен с выходом узла 20 умножения, входы которого соединены с узлом 21 задания констант и узлом 19 извлечения квадратного

KopHR вход которого подключен к узлу 18, а выход делителя 22 является выходом блока 13. Устройство содержит также блок 23 выборки адреса.

Входами устройства являются информационные входы коммутатора 1, выход которого соединен с информационными входами аналого-цифрового преобразователя 5 и первого элемента И 10, выход которого соединен с информационным входом первого блока 2 памяти и входом блока 4 усреднения.

Управляющие входы аналого-цифро вого преобразователя 5, первого блока

2 памяти, коммутатора 1, первого элемента И 10 и адресный вход второго блока 3 ", àìÿòè соединены соответственно с выходом делителя частоты, первым, пятым, вторым и четвертым выходами блока 17 управления.

Первый и второй входы амплитудного селектора 6 подключены к выходам первого блока 2 памяти и блока усреднения соответственно, а его выход через счетчик 8 имгульсов соединен с первым входом первого 15 делителя, выход которого через блок 13 масштабирования соединен с первым входом второго элемента И 11 и первым входом блока 9 вычитания. Второй вход делителя 15 соединен с третьим выходоМ блока 17 управления.

Блок управления содержит регистр

24, генератор импульсов 25, счетчик

10848)2

26, пороговый элемент 27, элемент

И 28 и элемент HE 29.

Схема 7 сравнения соединена первым и вторым входами с выходом вто5 рого делителя 16 и входом блока 12 задания констант соответственно, а выходом — с управляющим входом второго блока 3 памяти и вторым входом элемента И 11, выход которого соединен с информационным входом второго блока 3 памяти. Выходом устройства является выход аналого-цифрового преобразователя 5.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с командой блока

17 управления, подаваемой с его пятого выхода на управляющий вход коммутатора 1, случайный процесс х через соответствующий i-ый информационный вход коммутатора 1 подается на аналого-цифровой преобразователь

5, а через вход элемента 10, открытого сигналом "1", поданным на его другой вход с выхода блока 17 управления, проходит на блок 2 памяти и на блок 4 усреднения. По истечении заданного времени измерения блок 17 управления выдает сигнал "0", идущий с его второго выхода на управляющий вход элемента И 10 и запирающий его, прекращая тем самым прохождение процесса х. на первый блок 2 памяти и блок 4 усреднения. В этот же момент времени блок 17 выдает сиг- З5 нал "1", идущий с era первого выхода на управляющий вход первого блоо ка 2 памяти. По этому сигналу происходит считывание процесса х и передача его на один вход амплитудного селектора 6, на другой вход которого подается среднее значение процесса х, с выхода блока 4 усред1 нения.

Амплитудный селектор 6 выдает ко45 лебания процесса с амплитудой, большей среднего уровня, и формирует на выходе поток импульсов совпадения процесса с его средним уровнем. В качестве амплитудного селектора может быть использован триггер Шмитта. Поток импульсов совпадения поступает на счетчик 8 импульсов, а результат суммирования подается на первый вход делителя 15, на второй вход которого подается значение gt заданного времени измерения с третье. го выхода блока 17. Результат деления, представляющий собой среднюю частоту следования потока импульсов совпадения il, i-ro процесса с его средним уровнем, с выхода делителя

15 подается на блок 13, где в соответствии с формулой (12) происходит вычисление интервала квантования .,, Величина Г подается на вход

1 элемента И 11 и на первый вход блока 9 вычитания, на второй вход которого подается величина интервала квантования с выхода второго бло1

I ка 3 памяти. Модуль разности ) ; — ;1 с выхода блока 9 вычитания подается на один вход второго делителя 16, на другой вход которого подается величина ь с выхода второго блока

1 !

3 памяти. Отношение (; являющееся относительной ошибкой, с выхода делителя 16 подается на первый вход схемы 7 сравнения, на второй вход которой подается допустимая относительная ошибкас . с выхода блодоп

1 ка 12.

Если E < Е ., схема 7 сравнения доп

1 вырабатывает сигнал "0", идущий с ее выхода на управляющие входы второго блока 3 памяти и второго элемента

H 11, который остается закрытым и не пропускает величину ;, на информа, ционный вход второго блока 3 памяти.

По сигналу "0", поданному на управляющий вход второго блока 3 памяти, информация в нем не стирается. В эгом случае квантование 4-го процесса продолжается с прежним интервалом. доп

Если f; ) Е, схема И 7 сравнения вырабатывает сигнал "1", идущий с его выхода на управляющие входы второго блока 3 памяти и элемента И 11, который открывается и пропускает величину ь на информационный вход

1 второго блока 3 памяти.

Блок 17 управления формирует для каждого j-ro процесса сигнал, содержаший порядковый номер этого процесса, который с его четвертого выхода .подается на адресный вход второго блока 3 памяти. В этом случае происходит стирание прежней величины интервала кв".íòîâàíèÿ С; и запись новой величины для 1-ro процесса.

С выхода блока 3 памяти величина .< интервала квантования подается на

1 (управляемый) делитель 14 частоты, который формирует импульсы управлг ния аналого-цифровым преобразователем

5 с периодом управления

Корректировка интервалов квантования остальных случайных процессов при существенном изменении характера их протекания осуществляется аналогично описанному.

Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с базовым объектом является возможность простой и быстрой корректировки интервалов

1 квантования при изменении характера протекания технологических процессов.

Изобретение обеспечивает повышение 15 оперативности и точности управления производственными процессами 3;3 с (E г более точного восстановления анан в ний контролируемых параметров, а также сокращение затрат на статис— тические исследования контролируемых параметрово при изменении характера их протекания.

В качестве базового объекта выбрана автоматизированная система контроля и управления технологическими процессами подготовки нефти на базе управляющей вычислительно Г машины M-6000, в которой используется жесткая (с постоянными интервалами квантования) программа опроса датчиков технологических параметров.

1084812

Составитель Э.Сечина

Техред Т.Фанта

Корректор A.Ãðèöåíêo

Редактор H.Äæóãàí

Тираж 699

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3466

Подписное

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