Устройство для квантования случайных процессов

 

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