Анализатор случайных процессов

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3IS 956 боюа Советских

Социалистических

Республик

Г

Зависимое от авт. свидетельства №

МПК G 06g 7/52

Заявлено 20.Х1.1969 (№ 1376835/18-24) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 28.Х.1971. Бюллетень № 32

Дата опубликоваш|я описания 24.1.1972

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 681.333:519.2 (088.8) Авторы изобретения

Я. А. Гельфандбейн и В. Н. Соболев

Заявитель

АНАЛИЗАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое устройство относится к области специализированных вычислительных устройств, предназначенных для анализа статистических свойств случайных процессов и их оценок.

В ряде случаев сигналы в автоматических системах содержат аномальные значения или

«выбросы». Их появление может быть связано как с погрешностями аппаратуры контроля и регистрации, так и с проявлением ненормальностей в функционировании самих управляемых объектов, технологических процессов или процессов управления движением, подвергающихся контролю.

Аномальные значения, не свойственные статистической структуре сигналов системы, могут при их учете привести к грубым погрешностям при оценке характеристик изучаемых систем в процессе их анализа (в особенности при автоматической обработке данных) или к погрешностям управления (например, в самонастраивающихся системах) . Б этих случаях желательна автоматическая проверка гипотезы о принадлежности аномальных значений данной реализации случайного сигнала.

Так как преобразование сигналов различной физической природы в электрический сигнал не представляет затруднений, рассмотрим устройства, оценивающие статистические свойства сигналов, заданных в виде электрических напряжений.

Известные устройства для оценки статистических свойств электрических сигналов путем вычисления функций распределения, корреляционных и дпсперсионных функций, а также спектральных плотностей не производят проверки исходной информации с целью выявления и учета при построен||н указанных статистических характеристик аномальных значений в исследуемых реализациях.

Предлагаемое устройство решает задачу автоматической проверки исходного сигнала в указанном смысле в реальном масштабе времени, производя прп этом фиксацию моментов времени, соответствующих аномальным значениям сигналов, Аномальным значением сигнала прп этом считают «выбросы», не удовлетворяющие гипотезе о пх принадлежности к данной реализации или выборке, если анализ ведется в дискретной форме. Это позволит существенно повысить достоверность статистических характеристик сигналов, получаемых с помощью различных автоматических устройств.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством на основе проверки расхож30 дения (или сближения) величины с4, являю318956

65 щейся квантилем распределения и текущей оценки, определяемой выражением:

) Х (/) — !л,. (2)

-., (t) где х(l) и m,.(t) — значения проверяемого сигнала и его текущего среднего соответственно;

o,(t) — текущее среднеквадратическое отклонение сигнала.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого анализатора; фиг. 2 поясняет работу управляющего устройства.

Сумматор 1, выполненный, например, в виде усилителя постоянного тока с глубокой отрицательной обратной связью, подключен к одному из выходов вычислителя 2 текущих средни«и текущих среднеквадратических отклонений сигнала (Вычислитель может быть выполнен по известным схемам). Второй вы«од вычислителя и выход сумматора подсоединены ко входу блока деления 8, содержащего два канала. Первый состоит из аттенюагора и усилителя постоянного тока, охваченного глубокой отрицательной обратной связью с регулируемым коэффициентом усиления, второй — аналогового блока деления, выполненного по типовой с«еме аналоговой техники.

Выход блока деления 3 подключен к амплитудному селектору 4, ко второму входу которого подключено управляющее устройство 5.

Амплитудный селектор может состоять, например, из усилителя постоянного тока, в цепи обратной связи которого параллельно сопротивлению включены два параллельно соединенных диода, запертых напряжениями смещения, пропорциональными уровню ограничения, последовательно с которыми включен нуль-орган.

Управляющее устройство 5 содержит отметчик времени и прецизионный задатчик высокостабилизированных уровней напряжения.

Выходы управляющего устройства и амплитудного селектора соединены со входами регистратора 6, имеющего два параллельных канала — усилитель постоянного тока с глу бокой отрицательной связью и аналоговый самописец или цифропечатающее устройство.

Вместо самописца или печатающего устройства, в случае использования предлагаемого анализатора в совокупности с построителями характеристик случайных процессов, выход регистратора может быть подключен к соот. ветствующему. входу построителя.

Предлагаемый анализатор работает следующим образом.

Исследуемый процесс, преобразованный в электрический сигнал, поступает одновременно на в«оды сумматора 1 и вычислителя 2.

Вычислитель методом скользящего сглаживания вычисляет текущие оценки среднего значения реализации и оценку текущего среднеквадр атического отклонения:

15 г0 г5

40 — — т, 1

2 где Т> интервал сглаживания.

Сумматор 1, на второй вход которого поступает оценка текущего среднего с выхода вычислителя 2, осуществляет центрирование исследуемого процесса. С выхода сумматора центрированный сигнал поступает на один из входов второго канала блока деления, на второй в«од которого поступает напряжение с вычислителя 2, пропорциональное текущему значенио среднеквадратического отклонения о,(t). Делитель осуществляет операцию деления в соответствии с выражением (1).

В том случае, если случайный процесс стационарен, и известны оценки статистических характеристик математического ожидания и среднеквадратического отклонения, вычислитель подает на вход сумматора напряжение смещения, пропорциональное математическому ожиданию. Операция деления центрированного сигнала на сигнал, пропорциональный среднеквадратическому отклонению, осушествляется при этом первым каналом блока деления на постоянный коэффициент с помощью аттенюатора.

С выхода блока деления 8 сигнал, пропорциональный оценке U(t) поступает в амплитудный селектор 4. Управляющее устройство

5 с помощью прецизионных делителей стабилизированного напряжения постоянного тока по принятому значению доверительной вероятности и соответствующему этому значению квантилю Up устанавливает пороги ограничения по верхнему и нижнему уровням ограничителей, в соответствии с кривой, приведенной в качестве примера на фиг. 2 для количества элементов в выборке, равного 25.

Таким образом, пока сигнал оценки не превышает установленных порогов ограничения, он беспрепятственно проходит через амплитудный селектор. В момент равенства модуля сигнала оценки U(t) установленному порогу ограничения открывается в зависимости от знака сигнала U(t) один из диодов в обратной связи усилителя и он шунтируется этим диодом так, что напряжение на его выходе становится равным нулевому уровню. Этот эффект равносилен замене «выброса» случайного процесса его средним значением. При равенстве сигнала U(t) по модулю напряжению запирания диода срабатывает нуль-орган, включенный последовательно с цепочкой из параллельно соединенных диодов обратной связи усилителя, в результате чего в регистрирующее устройство поступает признак наличия выброса (например, кратковременный импульс напряжения). Регистрирующее устройство б,имеет два выхода по числу его каналов. Первый канал регистрирующего уст318956

Фиг. 1

Р=О,.

Р =буб25

Р= д,85

Р=0,1

2, 0 5

111 15 20

Фиа 2

25п

Составитель В. Жовинский

Тскрсд 3. Тараненко

Редактор Б. Нанкина

Корректоры; О. Зайцева и T. Китаева

Заказ 3833!5 Изд. 1494 Тир а кк 473 Подписное

ЦНИИПИ Когиитета по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР

Москва, К-35, Раушская наб., д. 4,5

Типография, пр. Сапунова, 2 ройства — усилитель постоянного тока — осуществляет передачу на выход устройства центрированного сигнала У(/).

Второй канал осуществляет регистрацию сигнала У(/) в виде непрерывной кривой, либо в виде последовательности цифр, отпечатанных на бумажной ленте. Поступающий во второй канал из аплитудпого селектора 4 признак наличия «выброса» фиксируется рядом с соответствующим нулевым значением сигнала U®. Отметки времени, поступающие при этом в регистрирующее устройство также фиксируются регистратором на графике или бумажной ленте, что позволяет установить момент времени, соответствующий появлению выброса.

Таким образом, наличие в анализаторе случайных процессов помимо вычислителя текущих статистических оценок сумматора, блока деления, амплитудного селектора, управляющего и регистрирующего устройств позволяет производить автоматическую проверку «выбросов» динамических процессов с одновременным исправлением наблюдаемых аномальных значений и фиксацией момента их появления, Предмет изобретения

5 Анализатор случайных процессов, содержащий сумматор, связанный со входной клеммой и с одним из выходов вычислителя текущего среднего и среднеквадратичного отклонения исследуемого сигнала, амплитудный

10 селектор, управляющее устройство и регистратор с двумя входами, отличающийся тем, что, с целью автоматизации проверки выбросов случайного процесса с одновременным исправлением аномальных значений и фикса15 цией моментов их появления, оп содержит блок деления, связанный входом первого канала с сумматором, а входом второго канала — с выходом вычислителя текущего среднеквадратичного отклонения, причем выход

20 блока деления подключен к одному пз входов амплитудного селектора, второй вход которого соединен с управляющим устройством с двумя выходами, один пз которых связан с регистратором, второй вход которого подклю25 чен к выходу амплитудного селектора.