Способ хранения и считывания аналоговых значений функций многих переменных
METHOD FOR STORING AND READING ANALOGUES FOR FUNCTIONS OF MULTIPLE VARIABLES

Изобретение относится к области управления в реальном масштабе времени сложными объектами и быстротекущими процессами. Технический результат - повышение быстродействия управления при снижении аппаратной избыточности и унификация структуры устройств считывания из запоминающего устройства значений функции управления, зависящей от множества параметров.
Известны многоканальные системы для регистрации физических величин [Авторское свидетельство СССР №1070581, кл. G06F 15/46,] содержащие усилители, аналого-цифровые преобразователи, блоки памяти, коммутатор каналов, блок управления и регистратор.
Принцип действия известных систем заключается в дискретизации исследуемых процессов, выборке исходных значений сигналов, преобразовании их в цифровой код и запоминании кодов в блоках памяти для восстановления впоследствии формы исследуемых сигналов или обработки полученных данных. Недостатком подобных систем является необходимость аналого-цифровых преобразований параметров объекта, снижающая быстродействие систем и значительная аппаратная сложность, не позволяющая реализовать их в одном устройстве.
Известен интервальный идентификатор [Патент на изобретение №2417434 G06G 7/25 (2006.01)], который построен с применением компараторов и электронных ключей. Выдает на выходе два значения функции в зависимости от принадлежности или непринадлежности сигнала интервалу.
Недостатком интервального идентификатора относительно заявленного изобретения является возможность идентификации функции только одним интервалом.
1
2
n-1
Наиболее близким по техническим результатам к заявленному изобретению является патент на реляторный позиционный идентификатор [Патент на изобретение №2117330 G06G 7/25 (2006.01)]. Выполняет позиционную идентификации аналогового сигнала в шкале ранжированных опорных напряжений. Идентификатор содержит аналоговые замыкающие ключи, дифференциальные компараторы напряжения и булевые логические элементы "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ". Указанная операция является операцией позиционной идентификации аналогового сигнала х в шкале опорных напряжений x<x<…<x. На выходе устройства будет значение функции в выбранном интервале
Недостатком процессора для адресно-ранговой идентификации и селекции аналоговых сигналов является ограничение его функциональных возможностей селекцией функций, зависящих от одной переменной. Технический результат заявленного способа и устройства для его реализации:
1
2
N
- позиционная идентификация аналогового сигнала функции многих переменных F(x, x, …, x) в шкале опорных напряжений аргументов функции  при i=1…n;
- повышение быстродействия устройств считывания аналоговых значений функций многих переменных;
- унификация структуры устройства при варьировании количества аргументов функции;
- упорядочивание передачи считанных значений функции на выход устройства.
1
2
N
1
2
N
i
i
minmax
1min
2min
Nmim
1max
2max
Nmax
n
n
N
N
N
N
j
1
j
Технический результат в предлагаемом способе хранения и считывания аналоговых значений функций N переменных достигается тем, что значения аргументов x, x,…,x функции F(x, x, …, x) фиксируют в множестве точек области определения функции и хранят в ячейках блоков памяти устройства, при этом каждый аргумент x принимает K значений , …, , при записи фиксированных значений аргумента x в ячейки памяти их ранжируют так, что , где i - номер блока памяти, а верхний индекс - номер ячейки памяти в блоке, значения функции F записывают в K ячеек памяти, порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации фиксированных значений аргументов , в ячейку с номером n записывают значение функции  верхние индексы значений аргументов которой рассчитывают по формулам:  составляют множество кортежей Θ из фиксированных значений аргументов и функций, для каждой n-й ячейки записи функции и связанной с ней комбинации аргументов  образуют кортеж  с номером n, для считывания значений функции на N входов устройства подают аналоговые сигналы с текущими значениями аргументов  для каждого текущего значения  в i-м блоке памяти находят соседние интервальные значения аргументов  для которых  и , найденный набор значений аргументов на краях интервалов используют для определения сигнальных значений функции F в вершинах N-куба, образованного полным перебором 2 значений аргументов из множества X={x, x, …, x, x, x, …, x} на краях найденных интервалов, для этого выполняют проверку всех кортежей  на принадлежность N-кубу, начиная с n=1 до n=K, найденные кортежи N-куба нумеруют в порядке размещения исходных кортежей в памяти и присваивают значениям функции номера j от 1 до 2, значение функции F n-го кортежа  относят к j-й вершине N-куба и присваивают номер j, F=F, если все значения аргументов  при i=1,2,…,N и для любой  вершины N-куба при  существует кортеж  у которого m<n и  при i=1,2,…,N, сигнальное значение функции F из первого найденного кортежа передают на первый выход устройства, сигнальное значение функции F из j-го найденного кортежа передают на j-й выход устройства.
N
N
N
N
N
N
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
3
3
4
5
6
7
3
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что устройство содержит (Фиг. 1): запоминающее устройство (ЗУ) 1 для хранения исходных значений аргументов, ЗУ 2 для хранения значений функции, блок выбора кортежей 3, блок выбора исходных значений аргументов 4, N шин 5 передачи наборов фиксированных значений аргументов, каждая шина 5 передачи наборов значений аргументов содержит K линий передачи значений аргументов, блок считывания значений функции 6, ЗУ 1 для хранения значений аргументов содержит N блоков 7 для хранения исходных значений аргументов, каждый блок 7 хранения исходных значений аргументов состоит из K ячеек памяти, ЗУ 2 для хранения фиксированных значений функции содержит K ячеек 8, блок выбора кортежей 3 содержит K функциональных узлов выбора кортежей (ФУВК) 9, блок выбора исходных значений аргументов 4 содержит N функциональных узлов выбора значений аргументов (ФУВЗА) 10, информационный вход 10 i-го ФУВЗА подключен к i-му входу устройства, j-я ячейка i-го блока хранения исходных значений аргументов 7 ЗУ 1 подключена к j-й линии передачи i-й шины, линии передачи i-й шины 5 передачи наборов значений аргументов подключены к группе входов 10 для ввода исходных значений аргументов i-го ФУВЗА 10, первый контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9 m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи первой шины 5, где  скобки [] означают операцию деления нацело без остатка, % означает операцию нахождение остатка от деления нацело, n-й контакт группы входов ввода исходных значений аргументов 9 m-го ФУВК подключен к j-й линии передачи i-й шины 5, где , первый выход i-го ФУВЗА 10 подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9 каждого ФУВК 9, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9 каждого ФУВК 9, выход i-го ФУВК 9 подключен к i-му входу 6 ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6, i-я ячейка 8 ЗУ 2 подключена к i-му входу 6 ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6, блок считывания значений функции 6 содержит 2⋅K функциональных узлов считывания значений функции (ФУСЗФ)11 (фиг. 2), которые расположены в K рядах, в каждом ряде расположено 2 ФУСЗФ, i-й вход 6 ввода сигналов управления блока считывания значений функции 6 подключен к первому управляющему входу 11 ФУСЗФ i-го ряда, i-й вход 6 ввода фиксированных значений функции блока считывания значений функции 6 подключен к информационному входу 11 ФУСЗФ i-го ряда, информационные выходы 11 j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к j-му выходу 6 блока считывания значений функции 6, второй управляющий вход 11 j-го ФУСЗФ каждого ряда подключены к первому управляющему выходу 11 (j-1)-го ФУСЗФ того же ряда, второй управляющий выход 11 j-го ФУСЗФ i-го ряда подключены к третьему управляющему входу 11 j-го ФУСЗФ (i+1)-го ряда, j-й выход 6 блока считывания значений функции 6 подключены к j-му выходу устройства.
N
Рассмотрим работу устройства. Пусть N - количество аргументов функции, K - количество фиксированных значений одного аргумента функции, записанных в ЗУ 1 (фиг. 1). (Для удобства обозначений без потери общности объяснения работы способа и устройства допустим, что количество исходных фиксированных значений всех аргументов одинаково и равно K). Тогда в памяти устройства должно храниться K значений функции многих переменных F, полученных по результатам экспериментальных или теоретических исследований.
Исходные значения аргументов записываются в ЗУ 1. В j-й ячейке i-ого блока 7 ЗУ 1 хранится значение аргумента  При записи аргументов в ячейки ЗУ 1 их значения ранжируются так, что  где верхний индекс соответствует одновременно номеру ячейки в i-м блоке 7 ЗУ 1. Ячейки блоков 7 ЗУ 1 подключены к линиям передачи шин 5. j-я ячейка i-го блока содержит исходное значение аргумента  и подключена к j-й линии передачи i-й шины. Аналоговые значения аргументов из ячеек блоков 7 ЗУ 1 по линиям передачи шин подаются на ФУВК 9 и ФУВЗА 10.
i
По линиям передачи шины 5 значения аргументов из ЗУ 1 передаются в блок выбора исходных значений аргументов 4, который содержит N ФУВЗА 10. На входы i-го ФУВЗА 10 по i-ой шине 5 передаются K исходных фиксированных значений аргумента x: .
N
1
В блоке выбора кортежей 3 расположены K ФУВК 9, каждый из которых идентифицирует набор исходных фиксированных значений аргументов  подаваемых на группу входов 9.
1
Порядок подключения линий передачи шин 5 к группам входов 9 ФУВК 9 блока выбора кортежей 9 определяется правилами:
1
1) к группе входов 9 n-го ФУВК подключен набор исходных фиксированных значений аргументов ,
1
2) нижние индексы набора аргументов соответствуют номеру шины 5 и определяют номер входа в группе 9,
3) верхние индексы аргументов определяют номер линии передачи соответствующей аргументу шины 5 и рассчитывают по формулам:
N
N
n
Исходные фиксированные значения функции F записывают в K ячеек памяти ЗУ 2. Порядковый номер n ячейки записи функции связывают с значениями верхних индексов нумерации аргументов . В ячейку с номером n записывают значение функции  верхние индексы аргументов которой рассчитывают по формулам (1). Таким образом, для каждой n-й ячейки записи функции F и связанной с ней комбинацией аргументов , подаваемой на n-й ФУВК, образуется кортеж  с номером n, где Θ - множество из K кортежей.
1
1
2
N
i
imin
imax
i
imin
i
imax
imin
imax
2
2
2
minmax
1min
2min
Nmin
1max
2max
Nmax
minmax
1
При подаче на информационные входы 10 устройства аналоговых сигналов с текущими значениями аргументов х, х, …, x для каждого текущего значения x в i-м ФУВЗА 10 из i-го блока памяти 7 ЗУ 1 выбирают два соседних последовательных значения аргументов x и x из исходных фиксированных значений  для которых x≥x и x<x. Найденные значения x, x поступают на первый и второй выходы i-го ФУВЗА 10. Выходы всех ФУВЗА 10 подключены к группам входов 9 ФУВК 9. Первый выход i-го ФУВЗА подключен к (2i-1)-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9 каждого ФУВК, второй выход i-го ФУВЗА подключен к 2i-м входам группы входов для ввода границ интервалов 9 каждого ФУВК. В результате на группы входов каждого ФУВК поступает множество значений аргументов X={x, x, …, x, x, x, …, x}. n-й ФУВК Сравнивает множество значений X с значениями, поступающими на группу входов 9, проверяя условие:
i
где k вычисляется по формулам (1).
1
1
1
n
n
3
N
При выполнении условия (2) на выходе n-го ФУВК формируется сигнал логической единицы, который передается на n-й вход группы входов 6 блока считывания значений функции 6. В результате на логические единицы будут присутствовать на 2 входов 6 блока 6. На остальных входах будет логический ноль. Логическая единица на n-м входе группы входов 6 блока 6 указывает на принадлежность фиксированного исходного значения функции F вершине N-куба. При этом фиксированное исходное значение функции F будет передано на один из выходов 6 блока 6.
n
n
1
m
1
3
1
2
N
j
N
Значение функции F передается на j-й выход блока 6 (F=F), если на n-м входе группы входов 6 будет логическая единица и на для любого  выхода блока 6 при  существует фиксированное исходное значение функции F при m<n, для которого на m-м входе группы входов 6 будет логическая единица. Данное правило передачи значений функции F из ЗУ 2 на выходы 6 блока 6 позволяет получить на выходе устройства 2 значений функции в вершинах N-куба, внутри которого находится точка с текущими значениями аргументов х, х, …, x. Это позволяет выполнять позиционную идентификацию множества из N аналоговых сигналов в шкале ранжированных их опорных напряжений.
Применение в блоке 6 представленного выше правила позволяет упорядочить передачу на выходы устройства значений функции F в вершинах N-куба. На j-й выход подается значение , где
,
i- номер параметра х (изменяется от 1 до N).
ФУСЗФ, ФУВК и ФУВЗА реализуются на аналоговых схемах, содержащих компараторы, схемы совпадения, управляемые ключи, логические схемы, схемы аналоговых вычислений, ситуационные процессоры [Патент 2541850 МПК G06G 7/25]. Ячейки памяти ЗУ 1 и 2 могут быть выполнены в виде делителей напряжения, регулировкой которых задаются соответствующие значения переменных и функции, или в виде цифровой памяти, для которой потребуется аналого-цифровые преобразователи. Ограничения на количество обрабатываемых параметров определяется применяемой в устройстве элементной базой. Предлагаемый способ и устройство ориентированы на интегральное исполнение, при котором габариты устройства позволят реализовывать хранение и считывание функций многих переменных. Время считывания значений функции определяется скоростью переключения электронных ключей в ФУВЗФ и ФУВЗА и не превышает нескольких микросекунд, что позволяет применять патентуемое устройство в системах управления быстротекущими процессами в реальном масштабе времени.
Использование данного изобретения позволит унифицировать структуру устройств хранения и считывания аналоговых значений функций и снизить время считывания значений функции многих переменных.