Устройство для определения глобального экстремума функции многих переменных

Устройство для определения глобального экстремума функции многих переменных

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реснубпмк " 667954 (51) М. Кл (4 05 B 13/00 (61) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено 10.10.74 (21) 2066163/18-24 с присоединением заявки Х.

Гоеударстаеккык комитет

СССР ае делам кзобретенкй к еткрмпгй (23) Приоритет

Опубликовано15.06.79.Бюллетень М 22 (53) УДК 62-50 (088.8) Дата опубликования описания 18.06.79 (72) авторы изобретения

B. N. Киселев, И. Т. Засядников, С. Д. Артамонов и N. В. Киселев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО

ЭКСТРЕМУМА ФУНКЦИИ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ

Изобретение относится ч области ав-, томатики и вычислительной техники, в частности, к кибернетическим устройствам поиска и распознавания экстремаль-. ных ситуаций, и может быть использовано в системе управления интегральным роботом, функционирование которого происходит в среде с меняющимися параметрами.

Оценка меняющейся ситуации или состояния среды по отдельным параметрам (например по температуре, освещенности, уровню шумов и др.) не всегда является приемлемой и объективной для последующего принятия решения, поскольicy в реальных ситуациях имеет место одновременное варьирование сразу многих параметров среды.

Поэтому часто используют оценку по обобщенному критерию, учитывающему совокупность многих параметров в соответствии с их степенью важности.

Например, при исследовании районов ч зон, недоступных для человека, но доступных для исследования автоматом интегральным роботом, который может попаСть .в непредвиденные сложные условия работы (например, в «грессивную среду ца поверхности неисследованной планеты), необходима достоверная оценка ситуации или среды одновременно по многим параметрам с целью принятия оптимального решения для выбора наиболее безопасного направления движения автомата, т. е. задача сводится, по существу, к поиску глобального экстре« мума функции многих переменных.

Известно устройство для поиска экстремума функции многих переменных (1) предназначенное для выбора оптимального решения и содержащее блок перебора входных ситуаций, состоящий из группы датчиков, интеграторы, логические и пороговые элементы.

Однако такое устройство имеет низ кую точность при поиске экстремума

1 функции многих переменных.

61; 711 г; 4

1О

20

Наиболее близким цо технической сущности к данному изобретению является устройство f2), содержащее датчики параметров среды, размещенные, например, по окружности и кинематически связанные с шаговым приводом, импульсный вход которого соединен через ключ с генератором тактовых импульсов, подключенным к одному из входов блока управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющим входом ключа и со счетными входами двух . счетчиков, разрядные выходы одного иэ которых соединены с цифроаналоговым преобразователем, дифференциальные усилители, элементы задержки, блоки умножения, один из входов которых соединены с соответствующими выходами блока установки весовых коэффициентов, а выходы - со входами сумматора, компаратор и блок сравнения.

Это устройство . имеет недостатки, обусловленные низкой точностью при определении глобального экстремума исследуемой фуйкции, так как каждый датчик, выполненный в:виде потенциометра, настраивается оператором вручную незави симо от других датчиков, т. е. величина устанавливаемого входного сигнала зависит or субъективных обстоятельств, в то время как в реальных ситуациях происходит одновременное изменение сразу нескольких параметров, которые могут быть взаимозависимыми.

В результате ручной настройки датчиков» оцениваемой ситуации может быть пропущен глобальный экстремум функции, а процесс поиска прекратйтся при достижении некоторого локального экстремума.

Целью изобретения является повышение точности определения глобального экстремума функции многих перемейных.

Это достигается тем, что в предлаГаемом устройстве датчики параметров среды установлены на диаметрально противоположных точках окружйости и подключейы к прямому и инверсному входам соответствующих дифференциальных усилителей, выходы которых через элементы задержки соединены с другими входами блоков .умножения, входы компаратора подключены соответственно к выходу сумматора и к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход - ко второму .входу блока управления, причем выходы

:старших разрядов другого счетчика соединены через блок сравнения с третьим

Входом фйжа управления.

На фи1 . 1 изображена блок-схема . предлагаемого устройства; HA фиг. 2 -. временная диаграмма его работы.

Устройство для определения глобального экстремума функции многих переменных содержит группу датчиков 1 параметров среды, расположенных по окружности (HB лове рх иост и ба раба на или цилиндра ) и кинематически связанных с шаговым приводом 2 (импульсный шаговый двигатель ), генератор 3 тактовых импульсов, подключенный через ключ 4 к импуль сному входу шагового привода 2 и к onному из входов блока 5 управления, счетчики 6 и 7, цифроаналоговый преобразователь 8, дифференциальные усилители 9, элементы 10 задержки, выходы которых подключены к соответствующим входам блоков 11 умножения, другие входы которых соединены с блоком 12 установки весовых коэффициентов, а выходы — со входами сумматора 13, подключенного через компаратор 14 напряжения к блоку 5 управления.

Выходы старших разрядов 15 счетчи« ка 7 подключены ко входам блока 16 сравнения.

Датчики 1 параметров среды предназначены для преобразования параметров

30 среды (температура, давление, освещенность, акустические шумы, уровень радиации и др.) в электрические аналоговые сигналы. Датчики 1 однородных параметров установлены попарно на диаметрально протйвоположных точках окруж- ности и подключены клеммами а-е, ) i . 1 ( б-б, в-е,г-г (см. фиг. 1) к прямому и инверсному входам соответствующего

40 дифференциального усилителя 7, предназначенного для формирования сигнала, пропорционального градиенту измеряемого параметра в направлении линии, проходящей через точки установки датчиков 1 однородных параметров.

Шаговый привод 2 предназначен для обеспечения-вращения цилиндра, на по-. верхности которого размещены датчики 1, с постоянной угловой скоростью.

Блоки 11 умножения, блок 12 уста: новки весовых коэффициентов и сумматор

13 обеспечивают формирование аналогового сигнала g(V), соответствующего обобщенной фчнкции параметров среды л

55 Ц((Р) = W, х Цд 1 у:,р и.. .где Ч вЂ” угол поворота цилиндра по отношению к условному началу отсчета (первоначальному направлеыию1, 667г 54

45

Далее сигналы поступают на входы сумматора 13, на выходе которого фор мируется сигнал обобщенной функции параметров средыЦ Ю) (функции многих перемейных). Этот сигнал также являет. ся периодическим (см. фир. 2).

Таким образом, на входы компарато ра 14 напряжений поступают два сигна« ла,- периодический У Ю. и линейно нарастающий У„.. В момент равен ства этих сигналов компаратор 14 напряжений формирует сигнал, поступающий в блок 5 управления, который перекры число пар датчиков 1 одно родных параметров средь

Ugt fig) - сигнал с соответствующего дифференциального усилителя 9 после

P временной компенсации элементами 1 0 5 задержки, М; — весовой коэффициент, соответствующий степени "важности" того или иного параметра и предварительно задаваемый блоком 12 установки весовых коэффициентов.

Счетчик 6 совместно с цифроаналоговым преобразователем 8 служит для формирования линейно-изменяющегося напря- жения, поступающего на компаратор 14 напряжений для сравнения с напряжением аналогового сигнала U(V), Счетчик 7 предназначен для подсчета числа импульсов, поступивших на импульсный вход шагового привода 2, и разряд- 20 ность его младшей части 17 выбрана в соответствии с максимальным числом импульсов, необходимым для полного поворота цилиндра с датчиками 1 пара25 метров среды.

На разрядных выходах 17 младшей части счетчика 7 формируется параллель- ный код текущего угла поворота, а старшая часть 15 разрядов счетчика 7 фор30 мирует, параллельный код числа полных поворотов цилиндра, Устройство для определения глобального экстремума функции многих переменных работает следующим образом.

В исходном положении цилиндр с датчиком 1 параметров среды установЛен в направлении нулевого вектора, совпадающего с направлением движения интеграль- ного робота, ключ 4 закрыт, счетчики

6 и 7 сброшены в нулевое состояние

6локом 5 управления (шина "сброс на фиг . 1 не указана). По сигйалу от бло, ка 5 управления, поступающему на управляющий вход ключа 4, который при этом открывается, на импульсный вход шагового привода 2 и на входы счетчиков 6 и 7 начинают поступать тактовые.импульсы от генератора 3.

Цилиндр с датчиками 1 начинает вращаться, счетчики 6 и 7 заполняются, на выходах младших разрядов 1 7 счетчика

7 формируется параллельный код текущего угла поворота цйлиндра, на выходе цифроаналогового преобразователя 8 формируется линейно-нарастающее напряжение Ух (см. фиг. 2).

На выходах каждой а -й пары датчиков 1 параметров среды, возникают соот.6 ветствующио сигналы Ugj иУф, а нл выходах дифференциальных усилителей 9 формируется раэностный сигнал

UC,(v) = У ;<т)- ul <ò), I Н, где Ugc AP), Ур®- сигналы с g -й пары датчиков 1 однородных параметров среды

Каждый из сигналов ф И) и У@ (Ю) пропорционален абсолютной величине отдельного параметра среды (температуре, освещенности и lip.) в соответствующем направлении по обе стороны от цилиндра. знак разности Ug,fv) — Ц 5, (9 ) указывает на увеличение или уменьшение этого параметра в заданном направлении, Сигналы U, (у) являются периодическими с периодом T=-;21 —, где (d уг

Я Я ловая скорость вращейия цилиндра.

Поскольку пары датчиков 1 однородных параметров среды расположены по отношению к вектору нулевого напвавления под разными углами ЬЦ =, где tn - число пар датчиков 1 однородных параметров среды, то сигналы . М) от разных пар будут смещены во времени на величину Ь = -2;5-. дФ

Элементы 10 задержки обеспечивают соответствующий временйой сдвиг всех временных сигналов Ug (Ф), кроме одно го, соответствующего нулевому направлению, на постоянную величину 4 чтобы привести все сигналы к единой системе отсчета (нулевому направлению).

При прохождении через блоки 10 умножения каждый сигнал множится на соответствующий весовой коэффициент ; зависящий от важности измеряемого параметра (например уровень радиации по степени важности находится выше, чем температура или освещенность среды, поэтому каждой, из характеристик может быть присвоен свой вес на основе предварительных экспертных оценок) .

667954

7 вает вход с летчика 6 и в цифроаналоговом. преобразователе. 8 запоминается уровень напряжения У до момента следуюшего пересечения с напряжением U(9) (см. фиг. 2), по которому с компарато» ра 14 напряжений в блок 5 управления выдается импульс противоположной полярности, счетчик 6 вновь запускается, цифроаналоговый преобразователь 8 формирует линейно-нарастающее напряжение от уровня U цо уровня U„-, который запоминается до следующего момента пересечения с функциональным напряжением U(V) .

Затем вновь формируется линейно-на15 растающее компенсирующее напряжение !

U до уровня (-)

Таким образом производится поиск глобального экстремума функции многих

20 переменных U(V), который осуществляется за несколько оборотов цилиндра.

Число необходимых периодов (полных оборотов цилиндра) задается параллельным кодам в блоке 16 сравнения схем25 ным путем или по соответствующим входам от внешнего устройства управления (см. фиг. 1).

При совпадении этого кода с содержимым старших разрядов 15 счетчика

7 блок 1 6 сравнения формирует сигнал, поступающий в блок 5 управления, по которому устройство переходит на отра» ботку последнего этапа отслеживания

0И) .(отрезок времени h t ) и останавливается в момент времени 1ц

При этом на выходах младших разряцов 17 счетчика 7 сформирован параллельный код угла hVz>, соответствующего критическому направлению, в ко- 40 тором обобшенная функция параметров среды приобретает наибольшее значение (глобальный экстремум).

Таким образом, при наличии нескольких локальных экстремумов функции мно- 4> гих переменных предложенное устройство будет производить более надежный и точный поиск глобльного экстремума и выдавать результат в цифровом коде, что обеспечивает его преимущества перец известными устройствами того же назначения.

Формула изобретения

Устройство для определения глобального экстремума функции многих переменных, содержащее датчики нараметров среды, размещенные по окружности и кинематически связанные с шагогым приводом, импульсный вход которого соединен через ключ с генератором тактовых импульсов, подключенным к одному из входов блока управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющим входом ключа и со счетными входами двух счетчиков, разрядные выходы одного из которых соединены с цифроаналоговым преобразователем; цифференциальные усилители, элементы задержки, блоки умножения, одни из входов которых соединены с соответствующими выходами блока установки весовых коэффициентов, а выходы - со входами сумматора, компаратор и блок сравнения, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения глобального экстремума функции многих переменных в нем датчики параметров среды установлены на циаметрально противоположных точках окружности и подключены к прямому и инверсному входам соответствующих дифференциальных усилителей, выходы которых через элементы задержки соединены с цругими входами блоков умножения, входы компаратора подключены соответственно к выходу сумматора и к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход - ко второму входу блока управления, причем выходы старших разрядов другого счетчика соединены через блок сравнения с третьим входом блока управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 267214, кл. G 06 15/18; 1968.

2. Авторское свидетельство СССР № 344443 кл. G 06 К. 9/00, 1971. а

8 б г г

v(v) /л 1/г

Составитель А. Лащев

Редактор H. Камегиская Техред JI.Àëôåðîâà Корректор О. Ковинская

Заказ 3467/43 Тираж 1014 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-З», Раушская наб„д. 4/5

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