АДАПТИВНОЕ ЦИФРОВОЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ADAPTIVE SMOOTHING DEVICE

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых системах контроля (АСУ ТП), слежения и управления различными (в т.ч. баллистическими) объектами.
Известно многоканальное цифровое сглаживающее устройство по а.с. №748417 (авторское свидетельство СССР №748417, кл. G06F 15/32, 1980, бюл. №26) с каскадной формой соединения каналов, каждый из которых содержит сумматор и регистр. Повышение точности (эффективности) сглаживания в нем достигается увеличением (наращиванием) числа каналов.
Известно адаптивное цифровое сглаживающее устройство по а.с. №1531808 (авторское свидетельство СССР №1531808, кл. H03H 17/04, 1988), выбранное в качестве прототипа, которое содержит сумматор, первый вход которого является информационным входом устройства, первый и второй блоки компараторов, первые входы которых соединены с выходом сумматора, причем с первым компаратором напрямую, а со вторым через блок инверторов; блок задания соотношения отклонений, содержащий (как управляемый делитель частоты) регистр, счетчик и элемент задержки, информационный и тактовый входы блока являются управляющим и тактовым входами устройства соответственно; первый элемент И, первый вход которого подключен к тактовому входу устройства, второй и третий входы соответственно к выходам первого и второго блоков компараторов, первый реверсивный счетчик, вычитающий вход которого соединен с выходом блока задания соотношения отклонений, инвертор, второй и третий элементы И, второй реверсивный счетчик результата сглаживания и блок управления динамической характеристикой (БУДХ), первый вход которого подключен к первому входу третьего элемента И и к выходу инвертора, второй вход соединен с первым входом второго элемента И, входом инвертора и выходом знакового разряда сумматора, а первый выход БУДХ подключен к входу сброса в «0» первого и шиной записи второго реверсивных счетчиков, причем БУДХ содержит элемент ИЛИ, счетчик, триггер, основной и дополнительный элементы И, первый и второй формирователи импульсов, входы которых являются первым и вторым входами БУДХ, которые через формирователи импульсов подключены к обоим входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с шинами сброса в «0» счетчика и триггера, вход установки в «1» которого подключен к выходу основного элемента И, первый вход которого соединен со старшим разрядом счетчика, а второй вход - с тактовыми входами счетчика и устройства и вторым входом дополнительного элемента И, первый вход которого подключен к прямому выходу триггера, а инверсный выход последнего - к четвертому входу первого элемента И, выход которого соединен с суммирующим входом первого реверсивного счетчика и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем выход второго элемента И подключен к вычитающему входу второго реверсивного счетчика, а выход третьего элемента И - к его суммирующему входу; информационный выход первого реверсивного счетчика соединен со вторыми входами первого и второго блоков компараторов; инверсный информационный выход второго реверсивного счетчика подключен ко второму входу сумматора, а прямой выход - к первому информационному выходу устройства.
Устройство адаптивно сглаживает стационарную или медленно меняющуюся входную дискретную последовательность, состоящую из аддитивной смеси полезной составляющей сигнала и флуктуирующей части (помехи, случайного шума и т.п.)
Однако на переходном (динамическом) режиме (он может быть вызван, например, ускорением, виражом, приемистостью объекта контроля или управления, переходом с одного стационарного режима на другой и т.п.) устройство передает входные текущие дискреты непосредственно на выход без сглаживания, т.е. устройство на этом режиме не выполняет своего функционального предназначения - сглаживания.
Несглаженные выходные дискреты ухудшают точность и качество управления объектами, могут привести к резким скачкам (даже сбою в работе исполнительных механизмов). При этом можно уверенно утверждать, что на динамических режимах вряд ли исчезают все флуктуирующие составляющие входного дискретного сигнала.
Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в повышении точности сглаживания на переменных (динамических) режимах и решается путем ввода в устройство одноканального блока сглаживания по а.с. №748417, содержащего сумматор, последовательно соединенный с регистром, выход которого подключен к входу второго реверсивного счетчика результата сглаживания, шина записи в регистр соединена с тактирующим входом устройства, а вход сумматора подключен к информационному входу устройства. Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в частности для приближенной оценки среднего квадратического отклонения при сглаживании нормальной (гауссовской) входной стационарной или медленно меняющейся дискретной последовательности, в него введен второй информационный выход, к которому подключен выход первого реверсивного счетчика.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема вводимого одноканального блока сглаживания; на фиг.3 - график плотности распределения гауссовской входной случайной дискретной последовательности с примером выбора критерия оценки эффективности (точности) сглаживания.
Адаптивное цифровое сглаживающее устройство содержит сумматор 1, блок инверторов 2, первый и второй блоки компараторов 3.1 и 3.2, первый элемент И 4, первый реверсивный счетчик 5; блок 6 задания соотношения отклонений, который содержит регистр 7, счетчик 8 и элемент задержки 9; второй и третий элементы И 10.1 и 10.2, второй реверсивный счетчик 11, инвертор 12; блок 13 управления динамической характеристикой, содержащий первый и второй формирователи импульсов 14.1 и 14.2, элемент ИЛИ 15, счетчик 16, основной элемент И 17.1, дополнительный элемент И 17.2 и триггер 18; информационный вход 19, управляющий вход 20, выход 21, тактовый вход 22; одноканальный блок сглаживания 23, содержащий сумматор 24 и регистр 25; второй информационный выход 26.
Устройство реализует следующую модификацию оператора экспоненциального сглаживания:
n
n
где x и y - входная и выходная дискреты;
1/K - постоянная сглаживания;
K - параметр адаптации.
n
n
n-1
В качестве критерия задания эффективности (точности) сглаживания выбрано соотношение d между нулевыми и действительными отклонениями γ=x-y. Последние формируют текущие единичные приращения выходной сглаженной дискреты в (1):
n макс.
x
Для нормальной (гауссовской) дискретной последовательности по «правилу трех сигм» (Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969, стр.125) максимальное текущее отклонение не превышает утроенного среднего квадратического отклонения, т.е. γ<3σ.
x
n
x
Пусть K=1,5σ, тогда все действительные отклонения IγI>1,5σ в соответствии с (1) и (2) дадут единичные приращения выходных дискрет. По таблицам нормальной функции распределения Ф(х) (Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969, стр.564) определим для этого случая соотношение d как отношение площадей (интеграла вероятностей) на стандартном графике плотности распределения (фиг.3):
1
x
2
x
x
d=Ф(0, 1,5σ):Ф(1,5σ, 3σ)=0,4332:0,0654=7:1,
т.е. такое соотношение (как критерий сглаживания) задает на семь нулевых - одно действительное отклонение. Ниже в таблице приведены рассчитанные выше способом примеры взаимосвязи между d и значениями параметра адаптации K.
d
2
7
22
190-200
K
σ<sub>x</sub>
1,5σ<sub>x</sub>
2σ<sub>x</sub>
3σ<sub>x</sub>
Адаптивное цифровое сглаживающее устройство работает в двух режимах: стационарном и динамическом (переходном), причем все операции осуществляются за один такт. В первом режиме устройство сглаживает входную случайную последовательность дискрет до уровня, заданного соотношением d, которое заносится перед началом работы с управляющего входа 20 в регистр 7 блока 6. Последний представляет собой управляемый делитель частоты, например, при d=7 на выходе прямого переноса счетчика 8 появляется каждый седьмой тактовый импульс (с входа 22), который через элемент задержки 9 перезаписывает код d из регистра 7 в счетчик 8 (для следующего цикла работы делителя) и вычитает «1» из первого реверсивного счетчика 5, содержащего код параметра адаптации K.
n
n
n
n
n
Процесс адаптивного сглаживания заключается в следующем. Пусть после включения устройства в первом реверсивном счетчике 5 K=0, тогда почти каждое отклонение (обоих знаков) γ в сумматоре 1 будет превышать код K в счетчике 5. В результате сравнения γ с K (режим работы инверторов: /γ>K/=«1», /γ<K/=«0») при γ>K на выходе обоих блоков компараторов 3.1 и 3.2 появляются логические «1».
x
х
х
Так как на стационарном режиме триггер 18 находится в состоянии «0», то с его инверсного выхода на первый вход первого элемента И 4 также поступает логическая «1». Высокий уровень сигнала на всех входах первого элемента И 4 разрешает прохождение тактового сигнала с входа 22 на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 5 (код K в последнем увеличивается на единицу) и на вторые входы элементов И 10.1 и 10.2. Сигнал с выхода одного из них (в зависимости от знака отклонения) поступает на суммирующий или вычитающий вход второго реверсивного счетчика 11, т.е. реализуется сигнатурная функция (1). С ростом K число действительных отклонений будет уменьшаться, соответственно, уменьшится уровень изменчивости (дисперсии) выходной дискреты во втором реверсивном счетчике 11 результата сглаживания. Процесс роста K будет продолжаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т.е. число импульсов, поступивших от блока 6 на вычитающий вход реверсивного счетчика 5, будет равно числу импульсов, поступивших на его суммирующий вход от элемента И 4. Положим d=7, а нормальная случайная последовательность дискрет имеет дисперсию с размахом отклонений 3σ=100, тогда в реверсивном счетчике 5 установится (см. таблицу) код параметра адаптации K=1,5σ=50. Пусть дисперсия на входе возросла до уровня 3σ=150, тогда параметр адаптации увеличится до K=75, однако выходное значение дисперсии останется неизменным, соответствующим заданному соотношению d=7 (7 к 1, т.е. на одно действительное отклонение будет приходиться семь нулевых).
Блок 13 управления динамической характеристикой (БУДХ) автоматически переключает устройство со стационарного режима сглаживания на переходный (динамический) и обратно. Переходный режим может быть вызван ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой (для некоторых групп объектов контроля или управления, например баллистических, стационарный режим может быть частным случаем динамического). Для стационарного случайного процесса вероятность появления серии, например, из восьми отклонений (от среднего) одного знака подряд (в соответствии с геометрическим законом распределения вероятностей) очень мала. Следовательно, такая серия обусловлена началом переходного режима.
БУДХ 13 фиксирует такую серию и работает следующим образом. Так как для стационарного режима наиболее вероятны отклонения разных знаков, то при смене знака в сумматоре 1 с «плюс» на «минус» и наоборот соответствующий формирователь 14.1 или 14.2 генерирует импульс, который через элемент ИЛИ 15 сбрасывает в «0» счетчик 16 и триггер 18. На динамическом режиме (формирователи 14 не срабатывают) на счетчик 16 (например, 4-разрядный) непременно поступит восемь импульсов подряд с тактового входа 22. На выходе старшего разряда счетчика 16 установится логическая «1», высокий уровень которой обеспечит прохождение через основной элемент И 17.1 тактирующего импульса, который установит триггер 18 в «1». Последний сигналом с инверсного выхода запретит работу устройства на стационарном режиме (логический «0» на первом входе первого элемента И 4), а высоким уровнем прямого выхода разрешит через дополнительный элемент И 17.2 перезапись дискрет с одноканального блока сглаживания 23 во второй реверсивный счетчик 11, т.е. на выход 21 устройства. По окончании переходного режима в сумматоре 1 неизбежно возникнут отклонения разных знаков, что приведет к срабатыванию формирователей 14 и, соответственно, к переключению триггера 18 в состояние «0» (стационарный режим сглаживания).
n
2
n
2
n-1
1
1
Введенный одноканальный блок сглаживания 23 содержит сумматор 24, последовательно соединенный с регистром 25 таким образом, что алгоритм экспоненциального сглаживания в нем (y=/x+/y) реализуется не операциями деления, а монтажным сдвигом (смещением шин) вправо на один разряд (в сторону младших разрядов) обоих слагаемых при вводе в сумматор, причем на один из входов младшего разряда сумматора постоянно заведена логическая «1» для компенсации методической погрешности усечения при сдвиге вправо.
Блок 23 работает постоянно (на обоих режимах), инициируется тактовыми импульсами с входа 22 в регистр 25 и используется только на переходном (динамическом) режиме путем записи выходной сглаженной дискреты с регистра 25 во второй реверсивный счетчик 11 тоже тактовым сигналом с входа 22, но через дополнительный элемент И 17.2 блока БУДХ 13.
Введение одноканального блока сглаживания 23 позволяет снизить дисперсию входного дискретного сигнала в три раза («АВТОМЕТРИЯ», СО АН СССР, Новосибирск, 1982, №5, стр.75) с минимальным фазовым сдвигом (запаздыванием) на динамических режимах.
Вывод выхода первого реверсивного счетчика 5 на второй информационный выход 26 устройства позволяет (см. таблицу) получить приближенную оценку среднего квадратического отклонения при обработке нормальных стационарных или медленно меняющихся случайных процессов, например, в аппаратуре корреляционного или спектрального анализа.