ЦИФРОВОЕ ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
DIGITAL PREDICTOR

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов, повышения качества и точности управления в цифровых системах контроля и наведения различных объектов.
Известны устройства для прогноза (экстраполяции) (по авт.св. СССР №1246775, кл. G06F 15/353, 1984, ДСП и по заявке №2011101014/08 (001268) от 12.01.2011 г.), содержащие блок сглаживания, блок экстраполяции (прогноза), содержащий три вычитателя, и регистр адреса ординаты предыстории процесса, задающий время прогноза, причем, если в первом - время прогноза незначительно, то во втором аналоге - фиксированное (постоянное).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для адаптивной экстраполяции (прогноза) (по авт.св. СССР №1572281, кл. G06F 15/353, 1988, ДСП), содержащий блок сглаживания, блок экстраполяции (прогноза), содержащий три вычитателя, и регистр задания времени прогноза. Это устройство, как и выше перечисленные аналоги, работают в двух режимах: стационарном и переходном. Последний может быть вызван ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой и т.п., т.е. почти скачкообразным изменением входного процесса.
Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в исключении операции прогноза на динамическом (переходном) режиме и восстановлении ее на новом стационарном режиме (без ущерба для точности прогноза).
Поэтому в цифровом прогнозирующем устройстве, в состав которого входят: блок сглаживания (по авт.св. СССР №1531808, кл. Н03Н 17/04, 1988, ДСП), содержащий сумматор, первый и второй реверсивные счетчики, одноканальный субблок сглаживания (по авт.св. СССР №748417, кл. G06F 15/32, 1980) из последовательно соединенных сумматора и регистра, субблок задания соотношения отклонений, содержащий регистр, счетчик и элемент задержки, субблок действительных отклонений, содержащий блок инверторов, два компаратора и элемент И, субблок единичных приращений, содержащий два элемента И и инвертор, субблок управления динамической характеристикой, содержащий два формирователя импульсов, элемент ИЛИ, счетчик, два элемента И и триггер режима, информационный выход блока сглаживания, информационный, первый управляющий и тактирующий входы устройства; узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига; блок прогноза, содержащий первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор, субблок квадратичного прогноза, содержащий три сумматора и блок инверторов, причем выход субблока является первым информационным выходом устройства, субблок линейного прогноза из одного сумматора, выход которого является вторым информационным выходом устройства, для решения поставленной задачи в субблок управления динамической характеристикой (СУДХ) блока сглаживания устройства введен третий элемент И, первый вход которого соединен с тактирующим входом устройства, второй вход - с инверсным выходом триггера режима СУДХ, а в блок прогноза устройства введен узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр хранения адреса ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время (интервал) прогноза, компаратор, инвертор, элемент И и счетчик адреса, информационный выход которого заведен на адресные шины мультиплексоров всех трех вычитателей и на первый вход компаратора, второй вход которого подключен к выходу регистра хранения адреса, выход компаратора через инвертор соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И СУДХ, выход элемента И соединен с счетным входом счетчика адреса, шина сброса в «0» которого подключена к выходу второго элемента И СУДХ блока сглаживания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг, 1 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок-схема блока сглаживания; на фиг.3 - блок-схема одноканального субблока сглаживания; на фиг.4 - блок-схема узла тактирования блока прогноза; на фиг.5 - блок-схема блока прогноза и узла управления динамикой прогноза; на фиг.6 - графики результатов моделирования работы устройства с узлом (и без) управления динамикой прогноза по данным представленным в табл.1 и 2.
Устройство реализует модифицированные операторы квадратичного [КВ4] и линейного [ЛН4] прогнозов, полученные с помощью аппроксимирующих многочленов по четырем точкам (узлам) ординат предыстории входной сглаженной дискретной последовательности способом наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М., «ИЛ», 1951, стр.212):
1
n
n-1
где Δy=(2y-y) - биразность 1-го уровня предыстории процесса;
2
n-1
n-2
Δy=(2y-y) - биразность 2-го уровня;
3
n-1
n-3
Δу=(2y-y) - биразность 3-го уровня;
n
n-1
n-2
n-3
y, y, y, y - первая (текущая), вторая, третья и четвертая расчетные точки (узлы) ординат трехуровневой предыстории входного случайного сглаженного дискретного процесса.
Методы исчисления конечных разностей для численной интерполяции и экстраполяции базируются на системе равноотстоящих узлов с шагом h, в данном случае это система ординат (расчетных точек) во временном континууме трехуровневой предыстории входной дискретной последовательности, где h - уже интервал между ординатами (точками), соответственно, время (глубина) прогноза.
Устройство содержит (см. фиг.1) блок сглаживания 1, блок прогноза 2 и узел управления динамикой прогноза 3. Блок сглаживания 1 содержит (см. фиг.2) сумматор 4, субблок 5 действительных отклонений, содержащий блок инверторов 6, два компаратора 7.1 и 7.2 и элемент И 8, первый реверсивный счетчик 9, субблок 10 задания соотношения отклонений, содержащий регистр 11, счетчик 12 и элемент задержки 13, субблок 14 единичных приращений, содержащий инвертор 15 и два элемента И 16.1 и 16.2, второй реверсивный счетчик 17, субблок 18 управления динамической характеристикой, содержащий два формирователя импульсов 19.1 и 19.2, элемент ИЛИ 20, счетчик 21, три элемента И 22.1, 22.2 и 22.3 и триггер режима 23; информационный вход 24 блока сглаживания и устройства, первый управляющий 25 и тактирующий 26 входы устройства и блока сглаживания; одноканальный субблок сглаживания 27 (см. фиг.3), содержащий последовательно соединенные сумматор 28 и регистр 29; информационный выход 30. Узел тактирования 31 блока прогноза содержит (см. фиг.4) элемент задержки 32, триггер 33, генератор импульсов 34, элемент И 35 и регистр сдвига 36. Блок прогноза 2 (см. фиг.5) содержит первый 37, второй 38 и третий 39 вычитатели, каждый из которых содержит блок регистровой памяти 40 из (А) последовательно соединенных регистров 41, мультиплексор 42, блок инверторов 43 (в предположении, что мультиплексор не имеет инверсных выходов) и сумматор 44; первый субблок 45 прогноза, содержащий блок инверторов 46, первый 47, второй 48 и третий 49 сумматоры, выход 50 третьего сумматора субблока является первым информационным выходом устройства; второй субблок 51, содержащий сумматор 52, выход которого подключен к второму информационному выходу 53 устройства; узел 3 (см. фиг.5) управления динамикой прогноза, содержащий регистр хранения 54 адреса (А) ординат расчетных точек предыстории процесса, вход 55 которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время прогноза Н=АТ (Т - цикл работы устройства, А - максимальный адрес регистра памяти 41 блока 40), компаратор 56, инвертор 57, элемент И 58 и счетчик адреса 59.
Цикл работы устройства состоит из 4-х тактов. Блок сглаживания 1 работает в двух режимах: стационарном и динамическом (переходном), причем все операции выполняются в нем за один (1-й) такт. На стационарном режиме блок сглаживает входной случайный дискретный процесс, детерминированная основа (медиана) которого может иметь постоянный, линейный или нелинейный (квадратичный) характер изменения во времени. Блок сглаживания 1 (см. фиг.2) реализует следующую модификацию оператора сигнатурного экспоненциального сглаживания:
n
n
где x и y - входная и выходная дискреты;
α=1/К - параметр сглаживания, К - параметр адаптации;
n
n
n-1
_
Δx=(x-y)  текущие отклонения от медианы процесса.
n
В качестве критерия эффективности (точности) сглаживания выбрано соотношение d между нулевыми и действительными отклонениями Δx. Последние формируют текущие единичные приращения обоего знака выходной дискреты в соответствии с сигнатурной функцией в (3):
n
n
n
sign[Δx/К]=0 для [Δx-K]<0 (Δx - нулевые отклонения),
n
n
n
sign[Δx/К]=1 для [Δx-K]>0 (Δx - действительные отклонения).
n
n
n
На стационарном режиме (D=0 - признак режима) блок 1 сглаживает входную случайную последовательность дискрет до уровня заданного соотношением d (реальный диапазон d=7÷190), которое заносится перед началом работы устройства со входа 25 в регистр 11 субблока 10 задания соотношения отклонений. Последний представляет собой управляемый делитель частоты, например, при d=7 на выходе прямого переноса счетчика 12 появляется каждый седьмой тактовый импульс со входа 26, который через элемент задержки 13 перезаписывает инверсный код d из регистра 11 в счетчик 12 (для следующего цикла работы делителя) и вычитает «1» из первого реверсивного счетчика 9, содержащего код параметра адаптации К. Процесс адаптивного сглаживания заключается в следующем. Пусть (при определенном коде К в счетчике 9) возросла дисперсия входного дискретного процесса, т.е. возросло число действительных отклонений Δx (обоих знаков). После сравнения их с параметром адаптации К на выходе блоков компараторов 7.1 и 7.2 субблока 5 (играющего роль отрицательной обратной связи) устанавливаются логические «1» (режим работы компараторов: [Δx>K]=«1», [Δx<K]=«0»), поступающие на вход элемента И 8. Так как на стационарном режиме триггер режима 23 находится в состоянии «0» (D=0), то с его инверсного выхода на первый вход элемента И 8 субблока 5 также поступает логическая «1». Высокий уровень сигнала на всех входах элемента И 8 разрешает прохождение тактовых импульсов с входа 26 на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 9 (код К в последнем увеличивается) и на вторые входы элементов И 16.1 и 16.2 субблока единичных приращений 14. Сигнал с выхода одного из них (в зависимости от знака отклонения) поступает на суммирующий (или вычитающий) вход второго реверсивного счетчика 17 результата сглаживания, т.е. реализуется сигнатурная функция (3). Процесс роста К приведет к снижению числа действительных отклонений и будет продолжаться до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т.е. число импульсов, поступивших от субблока 10 на вычитающий вход счетчика 9, будет равно числу импульсов, поступивших на его суммирующий вход от субблока 5, а дисперсия выходной сглаженной дискретной последовательности останется неизменной (для d=7: на одно действительное отклонение должно приходится семь нулевых).
n
n
n-1
Переходный (динамический) режим может быть вызван ускорением, виражом, переходом с одного стационарного режима на другой и т.д., т.е. почти скачкообразным изменением процесса. Для сглаживания входной дискретной последовательности на переходных (динамических) режимах (D=1) используется одноканальный субблок сглаживания 27 (см. фиг.3), который реализует следующий оператор экспоненциального сглаживания: y=½(x+y), т.е. с минимальной степенью сглаживания и, соответственно, с минимальным фазовым сдвигом (запаздыванием) выходной дискреты. Субблок 27 работает на обоих режимах, инициируется тактовыми импульсами со входа 26 в регистре 29, но используется только на переходном (динамическом) режиме. Для стационарного случайного процесса вероятность появления серии, например, из т=8 (восьми) отклонений от медианы (детерминированной основы) процесса одного знака подряд, в соответствии с геометрическим законом распределения вероятностей, равна:
m
Р(x=m)=(½)=1/256≈0,004,
т.е. настолько мала, что можно считать появление такой серии началом переходного режима. Субблок 18 фиксирует такую серию и работает следующим образом. Так как для стационарного режима наиболее вероятны отклонения разных знаков, то при смене знака в сумматоре 4 с «плюс» на «минус» и наоборот срабатывают формирователи импульсов 19.1 или 19.2 и через элемент ИЛИ 20 сбрасывают в «0» счетчик 21 и триггер режима 23 (D=0). На динамическом режиме (формирователи 19 не срабатывают) на счетчик 21 (например, 4-х разрядный) непременно поступит восемь импульсов подряд с тактового входа 26. На выходе старшего разряда счетчика 21 установится логическая «1», высокий уровень сигнала которого обеспечит прохождение через первый элемент И 22.1 тактирующего импульса, который установит триггер режима 23 в «1» (D=1). Последний сигналом с инверсного выхода заблокирует работу субблока 5 действительных отклонений и, соответственно, субблока 14 единичных приращений, а высоким уровнем сигнала прямого выхода разрешит через второй элемент И 22.2 перезапись дискрет с одноканального субблока сглаживания 27 во второй реверсивный счетчик 17 результата сглаживания. По окончании переходного режима в сумматоре 4 неизбежно возникнут отклонения разных знаков, что приведет к срабатыванию формирователей импульсов 19 и, соответственно, к переключению триггера режима 23 в состояние «0» (стационарный режим сглаживания, D=0).
n
n-1
п
Операции прогнозирования выполняется за три такта, соответственно, 2-й, 3-й и 4-й. Формируются они серией из трех тактирующих импульсов от узла тактирования 31 (см. фиг.4). Тактирующий импульс с входа 26 обнуляет триггер 33 и записывает «1» в младший разряд сдвигового регистра 36. Тот же тактирующий импульс, задержанный элементом задержки 32, устанавливает в «1» триггер 33, разрешая тем самым прохождение импульсов от генератора 34 через элемент И 35 в регистр сдвига 36, на шинах младших разрядов которого («а», «б», «в», и т.д.) и появляется вышеуказанная серия. Во 2-м такте производится запись ординаты текущей (первой) расчетной точки y в первый регистр 41 блока 40 регистровой памяти первого вычитателя 37. Одновременно происходит перезапись (сдвиг) всех предшествующих ординат в соседние регистры 41. На адресный вход мультиплексора 42 поступает код адреса (А) ординаты предыстории со счетчика адреса 59, равный коду адреса, записанному со второго управляющего входа 55 перед началом работы устройства, и определяющий время (интервал) прогноза Н=AT. В соответствии с этим адресом ордината с выхода мультиплексора 42 (уже как вторая расчетная точка y) через блок инверторов 43 поступает на вход второго слагаемого сумматора 44, на входе первого слагаемого которого стоит удвоенная ордината предшествующей расчетной точки у. На выходе сумматора первого вычитателя 37 устанавливается биразность 1-го уровня предыстории входной дискретной последовательности. В 3-м и 4-м тактах производятся операции аналогичные описанным выше, но уже для второго 38 и третьего 39 вычитателей, на выходах которых устанавливаются, соответственно, биразности 2-го и 3-го уровней предыстории. Все сумматоры в устройстве - комбинационные. По завершении 4-го такта на выходе 50 субблока 45 в соответствии с эмпирической формулой (1) устанавливается код оценки квадратичного (нелинейного) прогноза для нестационарной входной дискретной последовательности, а на выходе 53 субблока 51 в соответствии с формулой (2) - код оценки линейного прогноза для стационарной или медленно меняющейся входной дискретной последовательности.
0
n
a
n+1
С началом переходного (динамического) режима триггер режима 23 субблока 18 блока сглаживания устанавливается в «1» (D=1) и разрешает через элемент И 22.2 прохождение тактирующего сигнала со входа 26 на шину сброса в «0» (U) счетчика адреса 59 узла 3 управления динамикой прогноза. Нулевой адрес счетчика 59 на адресных шинах всех трех мультиплексоров 42 вычитателей обеспечит на все время переходного режима расчет и установку на выходах обоих субблоков прогноза 50 и 53 кода текущей дискреты у минимально сглаженного входного процесса. С переходом устройства на стационарный режим работы (D=0) триггер режима 23 субблока 18 разрешит прохождение тактирующего импульса со входа 26 через открытый элемент И 58 на счетный вход (U) счетчика адреса 59. С ростом адреса в последнем, на выходах обоих блоков прогноза 50 и 53 устанавливаются коды (y) прогнозируемого входного процесса с использованием информации из трехуровневой предыстории только для нового стационарного режима. Рост кода адреса h в счетчике 59 (h=aT, а=1, 2, 3,.…А), т.е. восстановление заданного времени прогноза Н, будет продолжаться с каждым циклом до тех пор, пока он не станет равным заданному в регистре хранения 54 h=H. Компаратор 56 (режим работы: [H=h]→«1», [H≠h]→«0») в этом случае через ключ 57 и элемент И 58 закроет счетный вход счетчика адреса 59.
По данным результата моделирования работы устройства на переходных режимах, представленным на фиг.6 и в таблицах 1 и 2, видно, что если точность линейного прогноза повысилась незначительно, то погрешность квадратичного прогноза уменьшилась в 4 раза.