RU2446436C1

RU2446436C1 - Оптоэлектронный нечеткий процессор

Info

Publication number: RU2446436C1
Application number: RU2011110238/08A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Аллес (RU); Михаил Александрович Аллес; Сергей Викторович Соколов (RU); Сергей Викторович Соколов; Сергей Михайлович Ковалев (RU); Сергей Михайлович Ковалев
Original assignee: Михаил Александрович Аллес; Сергей Викторович Соколов; Сергей Михайлович Ковалев
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-03-27

Abstract

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего в режиме реального времени этапы нечеткого логического вывода по алгоритму Цукамото при одновременном увеличении вычислительной производительности. Такой результат достигается благодаря тому, что в оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий селектор минимального сигнала, введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m-1 селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок дефаззификации. 4 ил.

Description

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики.

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009124196 от 24.06.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор / Курейчик В.М. и др.], выполняющий операцию дефаззификации и содержащий источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группа оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, селектор минимального сигнала, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы, фотоприемник.

Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого логического вывода.

Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке №2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор / Курейчик В.М. и др.]. Оптоэлектронный дефаззификатор выполняет операцию дефаззификации и содержит две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр, образующие оптический неопределенный интегратор, источник когерентного излучения, первый линейный оптический транспарант, группа оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группа оптических Y-объединителей, группа фотоприемников, группа нуль-индикаторов, шифратор.

Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник излучения, линейный оптический транспарант, оптические Y-разветвители, оптический разветвитель, оптически связанные волноводы, фотоприемник.

Известно оптическое вычислительное устройство - селектор минимального сигнала [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.], принятый за прототип и предназначенный для вычисления минимального сигнала из совокупности оптических сигналов, поданных на его вход. Селектор минимального сигнала содержит дифференциальные оптроны, входные оптические волноводы.

Прототип является существенным признаком предлагаемого изобретения.

Недостатком вышеописанного прототипа являет невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого логического вывода.

Задачей изобретения является создание оптического устройства, предназначенное для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого логического вывода по алгоритму Цукамото при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 10⁵-10⁶ операций в секунду.

Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего в режиме реального времени этапы нечеткого логического вывода по алгоритму Цукамото при одновременном увеличении вычислительной производительности.

Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий селектор минимального сигнала, введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m-1 селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок дефаззификации, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-ых оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого a-го равноудаленного оптического, волновода подключен через линейный оптический транспарант к a-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (a=1, 2, …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации и к i-му входу первой группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2, …, m), i-й оптоэлектронный блок активизации содержит управляемый источник оптического излучения, s-1 пар оптически связанных волноводов, линейный оптический транспарант, оптический s-входной объединитель, выход управляемого источника оптического излучения подключен ко входу первого волновода первой пары ОСВ, выход которого подключен к первому входу линейного оптического транспаранта, выход второго оптического волновода b-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода (b+1)-й пары оптически связанных волноводов (b=1, 2, …, s-2), выход первого оптического волновода b-й пары оптически связанных волноводов подключен ко b-му входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …, s-1), выход второго оптического волновода (s-1)-й пары оптически связанных волноводов подключен к s-му входу линейного оптического транспаранта, b-й выход линейного оптического транспаранта подключен к b-му входу оптического s-входного объединителя (b=1, 2, …, s), выход оптического s-входного объединителя является выходом оптоэлектронного блока активизации, выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу второй группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2, …, m), оптоэлектронный блок дефаззификации содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических амплитудных модуляторов, m оптических Y-разветвителей, m оптически управляемых транспаранта, два оптических m-входных объединителя, два фотодиода, полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, включенный по схеме с общим истоком, шунт, управляющие входы m оптических амплитудных модуляторов являются первой группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, а управляющие входы m оптически управляемых транспарантов являются второй группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, выход источника излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый выход оптического m-выходного разветвителя подключен к информационному входу соответствующего оптического амплитудного модулятора, выход i-го оптического амплитудного модулятора подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход которого подключен к информационному входу i-го оптически управляемого транспаранта (i=1, 2, …, m), выход i-го оптически управляемого транспаранта подключен к i-му входу первого оптического m-входного объединителя (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен к i-му входу второго оптического m-входного объединителя (i=1, 2, …, m), выход первого оптического m-входного объединителя подключен ко входу фотоэлемента, выход второго оптического m-входного объединителя подключен ко входу фоторезистора, фотоэлемент и фоторезистор соединены последовательно, выводы фоторезистора являются выходом оптоэлектронного блока дефаззификации, выход оптоэлектронного блока дефаззификации является выходом устройства.

Оптоэлектронный нечеткий процессор - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого логического вывода по алгоритму Цукамото [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyТЕСН / А.В.Леоненков, - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.].

Функционирование оптоэлектронного нечеткого процессора представляет собой процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС). При выполнении алгоритма нечеткого логического вывода Цукамото база продукционных правил в общем случае представлена MISO-структурой (multi-in, single-out), причем для построения и реализации оптоэлектронного нечеткого процессора должна быть дана полная, строго определенная и непротиворечивая база правил (смотри приложение 1) в соответствии с решением какой-либо конкретной прикладной задачи.

Алгоритм нечетко-логического вывода Цукамото включает в себя следующие основные этапы [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyТЕСН / А.В.Леоненков, - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.]:

1. Фаззификация - этап «введения нечеткости», процесс получения значения функции принадлежности

нечеткого множества A_ij соответствующего значению j-й входной переменной x_j в предпосылке i-го нечеткого продукционного правила НПС (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n); степень истинности нечеткого высказывания «x_j есть A_ij» определяется значением функции принадлежности

по аргументу x_j;

2. Агрегирование - процесс определения степени истинности условия (антецедента) в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Цукамото степень истинности антецедента α_i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «x_i есть A_ij»:

(i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n);

3. Активизация - процесс определения четких значений выходной переменной у в заключении (консеквенте) каждого i-го правила НПС. В алгоритме Цукамото определение четкого значения выходной переменной у в i-м правиле осуществляется в соответствии с выражением y_i=f_i(α_i), где f_i(α_i) - монотонная функция (i=1, 2, …, m);

4. Дефаззификация - этап определения результирующего значения выходной у переменной НПС. В заявляемом устройстве при реализации алгоритма нечеткого вывода Цукамото используется дефаззификация по методу центра тяжести:

Функциональная схема оптоэлектронного нечеткого процессора (ОЭНП) показана на фигуре 1.

Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит:

- 1₁₁, 1₂₁, …, 1_1n; 1₁₂, 1₂₂, …, 1_2n; …, 1_m1, 1_m2, …, 1_mn - m групп по n оптоэлектронных блоков фаззификации (ОЭБФ);

- 2₁, 2₂, …, 2_m - m селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];

- 3₁, 3₂, …, 3_m - m оптоэлектронных блоков активизации (ОЭБАк);

- 4 - оптоэлектронный блок дефаззификации (ОЭБДФ).

Оптоэлектронный нечеткий процессор имеет n входов, то есть число входов равно количеству входных переменных НПС.Каждый j-й вход устройства подключен ко входу каждого ij-го ОЭБФ l_ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход ij-го ОЭБФ l_iy подключен к j-му входу i-го CMC 2_i (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Выход i-го CMC 2_i подключен ко входу i-го ОЭБАк 3_i (i=1, 2, …, m) и к i-му входу первой группы входов ОЭБДФ 4.

Выход каждого i-го ОЭБАк 3_i подключен к i-му входу второй группы входов ОЭБДФ 4, выход которого является выходом устройства (i=1, 2, …, m).

Функциональная схема ij-го ОЭБФ 1_ij показана на фигуре 2.

Оптоэлектронный блок фаззификации содержит:

- 5 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 1 усл(овных) ед(иниц);

- 6 - электрооптический дефлектор (ЭОД);

- 7₁, 7₂, …, 7_r - группу г равноудаленных от выхода ЭОД 6 оптических волноводов;

- 8 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, равной

- 9 - оптический r-входной объединитель.

Входом ij-го ОЭБФ 1_ij является управляющий вход ЭОД 6, к информационному входу которого подключен выход ИИ 5. Выход ЭОД 6 оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 7₁, 7₂, …, 7_r. Выход каждого a-го равноудаленного оптического волновода 7_а подключен через ЛОТ 8 к a-му входу оптического r-входного объединителя 9, выход которого является выходом ij-го ОЭБФ l_ij (a=1, 2,.., r).

Функциональная схема i-го ОЭБАк 3_i показана на фигуре 3.

Оптоэлектронный блок активизации содержит:

- 10 - управляемый источник оптического излучения (УИИ) с линейной передаточной характеристикой и коэффициентом передачи, равным s усл. ед. (под коэффициентом передачи понимается отношение величины интенсивности светового потока на выходе УИИ к величине электрического сигнала на его входе);

- 11₁₁, 11₁₂, 11₂₁, 11₂₂, …, 11_s-1,1, 1_s-1,2 - (s-1) пар оптически связанных волноводов (ОСВ); порог переключения оптического потока в b-й паре ОСВ составляет (b+1) m усл. ед. (j=1, 2, (s-1) [Носов Ю.Р. Оптоэлектроника / Ю.Р.Носов. - М.: Изд-во «Радио и связь», 1989. - 360 с, страницы 228…230, рисунок 7.7];

- 12 - ЛОТ с функцией пропускания, равной

- 13 - оптический s-выходной объединитель.

Входом i-го ОЭБАк 3_i является управляющий вход УИИ 10, выход которого оптически связан со входом первого оптического волновода 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂. Выход первого оптического волновода 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂ подключен к первому входу ЛОТ 12. Выход второго оптического волновода 11_b2 b-й пары ОСВ 11_b1, 11_b2 подключен ко входу первого оптического волновода 11_b+1,1 (b+1)-й пары ОСВ 11_b+1,1, 11_b+1,2 (b=1, 2, … (s-2). Выход первого оптического волновода 11_b1 b-й пары ОСВ 11_b1, 11_b2 подключен ко b-му входу ЛОТ (b=1, 2, …, s-1). Выход второго оптического волновода 11_s-1,2 (s-1)-й пары ОСВ 11_s-1,1, 11_s-1,2 подключен к s-му входу ЛОТ 12, b-й выход которого подключен к b-му входу оптического s-входного объединителя 13 (b=1, 2, …, s). Выход оптического s-входного объединителя 13 является выходом оптоэлектронного блока активизации.

Функциональная схема ОЭБДФ 4 показана на фигуре 4.

Оптоэлектронный блок дефаззификации содержит:

- 14 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2×m усл. ед.;

- 15 - оптический m-выходной разветвитель;

- 16₁, 16₂, …, 16_m - m оптических амплитудных модуляторов (ОАМ);

- 17₁, 17₂, …, 17_m - m оптических Y-разветвителей;

- 18₁, 18₂, …, 18_m - m оптически управляемых транспаранта (ОУТ), которые могут быть выполнены в виде оптически управляемых транспарантов, описанных в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - М.: Высшая школа, 1988. - 236 с., с. 79…83, рис. 3.10, 3.11];

- 19 - первый оптический m-входной объединитель;

- 20 - второй оптический m-входной объединитель;

- VU21 - фотоэлемент, работающий в режиме генератора тока;

- VR22 - фоторезистор.

Первой группой входов ОЭБДФ являются управляющие входы ОАМ 16₁, 16₂, …, 16_m. Второй группой входов являются управляющие входы ОУТ 18₁, 18₂, …, 18_n. Выход ИКИ 14 подключен к входу оптического m-выходного разветвителя 15. Каждый i-ый выход оптического m-выходного разветвителя 15 подключен к информационному входу соответствующего ОАМ 16_i (i=1, 2, …, m). Выход i-го ОАМ 16; подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя ОАМ 17_i, первый выход которого подключен к информационному входу i-го ОУТ 18_i (i=1, 2, …, m). Выход i-го ОУТ 18_i подключен к i-му входу первого оптического m-входного объединителя 19 (i=1, 2…, m). Второй выход i-го оптического Y-разветвителя ОУТ 17_i подключен к i-му входу второго оптического m-входного объединителя 20 (i=1, 2, …, m). Выход первого оптического m-входного объединителя 19 подключен ко входу фотоэлемента VU21. Выход второго оптического m-входного объединителя 20 подключен ко входу фоторезистора VR22. Фотоэлемент VU21 и фоторезистор, VR22 соединены последовательно, выводы фоторезистора VR22 являются выходом ОЭБДФ.

Работа оптоэлектронного нечеткого процессора происходит в соответствии с вышеуказанными этапами нечетко логического вывода Цукамото и протекает следующим образом.

Первым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап фаззификации. При этом на вход устройства подаются значения входных переменных НПС x₁, х₂, … x_n в виде электрических сигналов напряжения (тока). Каждый такой j-й сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной x_j, поступает на вход ij-го ОБФ 1_ij (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n).

Работа ij-го ОЭБФ l_ij протекает следующим образом. На информационный вход ЭОД 6 с выхода ИИ 5 постоянно поступает точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. При отсутствии сигнала на управляющем входе ЭОД 6 (то есть на входе ОЭБФ) оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл. ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 6, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 7₁, 7₂, …, 7_r и поглощается. При поступлении на управляющий вход ЭОД 6 электрического сигнала, пропорционального значению j-й входной переменной x_j, этот электрический сигнал отклоняет точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. на угол φ~arcsin(k·x_j), где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора. Смещение Δx точечного оптического потока относительно оси ОХ при этом равно:

Δx=L·sin(φ)=a·k·x_j,

где L - расстояние от выхода ЭОД 6 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 7₁, 7₂, …, 7_r.

Так как входы оптических волноводов 7₁, 7₂, …, 7_r равноудалены от выхода ЭОД 6, то L=const и, следовательно:

Δx=L·k·x_j=K·x_j.

Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. попадет на вход a-го равноудаленного оптического волновода 7_a (a=1, 2, …, r), если на входе ЭОД 6 присутствует электрический сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной x_j.

Далее оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед. с выхода a-го равноудаленного оптического волновода 7_a (a=1, 2, …, r) поступает на a-й вход ЛОТ 8, с a-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности

нечеткого множества A_ij соответствующей j-й входной переменной x_j. Этот оптический поток поступает на a-й вход оптического r-входного объединителя 9, с выхода которого снимается оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности

нечеткого множества A_ij соответствующей j-й входной переменной x_j. На этом первый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора завершается.

На втором этапе функционирования устройства выполняется этап агрегирования, результатом которого будет определение степени истинности антецедента α_i в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m). В алгоритме нечеткого вывода Цукамото степень истинности антецедента α_i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «

есть A_ij»:

(i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n). Вычисление значения α_i в i-м правиле осуществляет i-й CMC 2_i, работа которого описана в [А.с. №1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.]. На каждый j-й вход i-го CMC 2_i с выхода ij-го ОБФ 1_ij подается сигнал в виде напряжения со значением, пропорциональным

. На выходе i-го CMC 2_i формируется сигнал в виде напряжения (тока), пропорционального значению α_i. На этом завершается второй этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.

Третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап активизации правил НПС. Процесс определения четких значений выходной переменной y в заключении каждого i-го правила НПС в алгоритме Цукамото осуществляется в соответствии с выражением y_i=f_i(α_j), (i=1, 2, …, m). Для выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС определение четкого значения y_i осуществляется i-м ОЭБАк 3_i (i=1, 2, …, m). Работа i-го ОЭБАк 3_i происходит следующим образом. При поступлении на управляющий вход УИИ 10 сигнала от CMC 2_i в виде электрического напряжения (тока) величиной, пропорциональной α_i усл. ед. (что соответствует степени истинности условия (антецедента) в i-м правиле НПС (i=1, 2, …, m)) УИИ 11 на своем выходе формирует оптический поток с интенсивностью, равной α_i×s усл. ед., который поступает на вход первого оптического волновода 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂.

Если на вход первого оптического волновода 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂ поступает оптический поток с интенсивностью 1 усл. ед. (наименьшее значение α_i), последний, не переключаясь во второй оптический волновод 11₁₂ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂, проходит на первый вход ЛОТ 12.

Если на вход первого оптического волновода 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂ поступает оптический поток с интенсивностью b усл. ед. (b=2, 3, …, s, где s будет являться наивысшим значением α_i), то последний начинает распространяться по цепочке: «первый оптический волновод 11₁₁ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂ - второй оптический волновод 11₁₂ первой пары ОСВ 11₁₁, 11₁₂ - … -вход первого оптического волновода 11_b-1,1 (b-1)-й пары ОСВ 11_b-1,1, 11_b-1,2 - второй оптический волновод 11_b-1,1 (b-1)-й пары ОСВ 11_b-1,1, 11_b-1,2 - вход первого оптического волновода 11_b1 b-й пары ОСВ 11_b1, 11_b2 - выход первого оптического волновода 11_b1 b-й пары ОСВ 11_b1, 11_b2 (b=2, 3, …, s)». Это обусловлено тем, что в b-й паре ОСВ 11_b1, 11_b2 порог переключения оптического потока равен b+1 усл.ед. (b=1, 2, …, s-1), следовательно, этот оптический поток с выхода второго оптического волновода 11_b-1,1 (b-1)-й пары ОСВ 11_b-1,1, 11_b-1,2 поступает на вход первого оптического волновода 11_b1 b-й пары ОСВ 11_b1, 11_b2, и далее поступает на b-й вход ЛОТ 12.

Таким образом, на b-й вход ЛОТ 12 поступает оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению α_i и равным b усл. ед. (α_i=0, 1, 2, …, s усл. ед.). Поэтому, на b-ом выходе ЛОТ 12 формируется оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению y_i=f_i(α_i), (i=1, 2, …, m). Этот оптический поток через i-й вход и выход оптического m-входного объединителя 13 поступает на выход i-го ОЭБАк 3_i (i=1, 2, …, m). Третий этап работы оптоэлектронного процессора завершается.

На четвертом этапе функционирования устройства выполняется определение результирующего значения выходной переменной y в соответствии с выражением (1). Этот этап осуществляет ОЭБДФ 4, который функционирует следующим образом.

С выхода ИКИ 14 оптический когерентный поток с амплитудой 2×m усл. ед. поступает на вход оптического m-выходного разветвителя 15, на каждом i-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 2 усл. ед. (i=1, 2, …, m). Этот оптический поток поступает на информационный вход i-го ОАМ 16_i, на управляющий вход которого с выхода i-го CMC 2_i поступает сигнал в виде электрического напряжения (тока) величиной, пропорциональной α_i (i=1, 2, …, m). Следовательно, на выходе i-го ОАМ 16_i формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной 2×α_i (i=1, 2, …, m). Далее, этот оптический поток поступает на вход i-го оптического Y-разветвителя 17_i и делится на две части (i=1, 2, …, m). Первая часть этого потока с амплитудой, пропорциональной α_i, с первого выхода оптического Y-разветвителя 17_i попадает на информационный вход i-го ОУТ 18_i, а вторая часть потока с амплитудой, пропорциональной α_i, со второго выхода оптического Y-разветвителя 17_i - на i-й вход второго m-входного объединителя 20 (i=1, 2, …, m). Так как на управляющий вход i-го ОУТ 18_i с выхода i-го ОЭБАк 3_i подается оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению y_i=f_i(α_i), то на выходе i-го ОУТ 18_i формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной α_i×y_i, (i=1, 2, …, m). Этот оптический поток поступает на на i-й вход первого m-входного объединителя 19.

Таким образом, на выходе первого оптического m-входного объединителя 19 формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной α₁·y₁+α₂·y₂+…+α_m·y_m (с интенсивностью, пропорциональной (α₁·y₁+α₂·y₂+…+α_m·y_m)²), который поступает на вход фотоэлемента VU21. Одновременно, на выходе второго оптического m-входного объединителя 20 формируется оптический поток с амплитудой, пропорциональной α₁+α₂+…+α_m (с интенсивностью, пропорциональной (α₁+α₂+…+α_m)²), который поступает на вход фоторезистора VR22.

Так как зависимость фототока фотоэлемента VU8 от интенсивности поступающего на его вход оптического потока с требуемой точностью аппроксимируется функцией вида

[Бодиловский В.Г. Полупроводниковые и электровакуумные приборы в устройствах автоматики, телемеханики и связи: Учебник для техникумов ж.-д. трансп.- 5-е изд., перераб. и доп./ В.Г.Бодиловский. - М: Транспорт, 1986. - 440 с.], то на выходе фотоэлемента VU21 формируется фототок I_Ф, пропорциональный значению α₁·y₁+α₂·y₂+…+α_m·y_m.

Так как зависимость сопротивления фоторезистора от интенсивности падающего на него светового потока с требуемой точностью аппроксимируется функцией вида

[Либерман Ф.Я. Электроника на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Ф.Я. Либерман. - М: Транспорт, 1987. - 288 с.], то сопротивление фоторезистора VR22 будет обратно пропорционально значению α₁+α₂+…+α_m.

Следовательно, падение напряжения на фоторезисторе VR22 определяется как:

где R_VR22 - сопротивление фоторезистора VR22,

то напряжение на фоторезисторе VR22, являющееся выходным сигналом ОЭДФ, оказывается пропорциональным значению:

то есть пропорционально искомому значению у в соответствии с выражением (1).

Таким образом ОЭНП осуществляет процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС) при выполнении алгоритма нечетко логического вывода Цукамото с MISO-структурой.

Быстродействие оптоэлектронного нечеткого процессора определяется динамическими характеристиками составляющих его блоков и узлов, в частности:

- электрооптического дефлектора, входящего в состав оптоэлектронного блока фаззификации,

- селекторов минимального сигнала;

- управляемых источников оптического излучения, входящих в состав оптоэлектронных блоков активизации;

- управляемых оптических транспарантов, входящих в состав оптоэлектронного блока дефаззификации;

- оптических амплитудных модуляторов, входящих в состав оптоэлектронного блока дефаззификации;

- фотоэлемента, фоторезистора, входящих в состав оптоэлектронного блока дефаззификации.

Быстродействие электрооптических дефлекторов может достигать 10^-12 с. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80…100 пс. Управляемые источники оптического излучения, выполненные на основе полупроводниковых источников света, обладают быстродействием порядка 10^-9 с. Оптически управляемые транспаранты и оптические амплитудные модуляторы, изготовленные на основе PLZT-керамики или на основе жидких кристаллов, имеют быстродействием порядка 10^-6 с. Фотоэлемент и фотоорезистор имеют частоту среза до 1 ГГц.

Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.

Приложение 1

База правил нечеткой продукционной системы MISO-структуры нечеткой модели Цукамото

Правило 1: ЕСЛИ x₁ есть A₁₁ И x₂ есть A₁₂ И…И x_n есть A_1n, ТО y=f₁(α₁);

Правило 2: ЕСЛИ x₁ есть A₂₁ И x₂ есть A₂₂ И…И x_n есть A_2n, ТО у=f₂(α₂);

…

Правило i: ЕСЛИ x₁ есть A_i1 И x₂ есть A_i2 И…И x_n есть A_in, ТО y=f_i(α_i);

…

Правило m: ЕСЛИ x₁ есть A_m1 И x₂ есть A_m2 И…И x_m есть A_mn, ТО y=f_m(α_m).

где x₁, х₂, …, x_n - n входных переменных нечеткой продукционной системы;

A_ij - терм j-й входной переменной x_j в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности

(i=1, 2, …, m); j=1, 2, …, n);

y - выходная переменная нечеткой продукционной системы;

α_i - степень истинности условия i-го правила, (i=1, 2, …, m);

y=f₁(α_i) - монотонная функция (i=1, 2, …, m).

Claims

Оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий селектор минимального сигнала, отличающийся тем, что в него введены m·n оптоэлектронных блоков фаззификации, m-1 селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок дефаззификации, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (а=1, 2 …, r, i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации и к i-му входу первой группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2, …, m), i-й оптоэлектронный блок активизации содержит управляемый источник оптического излучения, s-1 пар оптически связанных волноводов, линейный оптический транспарант, оптический s-входной объединитель, выход управляемого источника оптического излучения подключен ко входу первого волновода первой пары ОСВ, выход которого подключен к первому входу линейного оптического транспаранта, выход второго оптического волновода b-й пары оптически связанных волноводов подключен ко входу первого оптического волновода (b+1)-й пары оптически связанных волноводов (b=1, 2,... s-2), выход первого оптического волновода b-й пары оптически связанных волноводов подключен ко b-му входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, …, s-1), выход второго оптического волновода (s-l)-й пары оптически связанных волноводов подключен к s-му входу линейного оптического транспаранта, b-й выход линейного оптического транспаранта подключен к b-му входу оптического s-входного объединителя (b=1, 2, …, s), выход оптического s-входного объединителя является выходом оптоэлектронного блока активизации, выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу второй группы входов оптоэлектронного блока дефаззификации (i=1, 2, …, m), оптоэлектронный блок дефаззификации содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических амплитудных модуляторов, m оптических Y-разветвителей, m оптически управляемых транспаранта, два оптических m-входных объединителя, два фотодиода, полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, включенный по схеме с общим истоком, шунт, управляющие входы m оптических амплитудных модуляторов являются первой группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, а управляющие входы m оптически управляемых транспарантов являются второй группой входов оптоэлектронного блока дефаззификации, выход источника излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый выход оптического m-выходного разветвителя подключен к информационному входу соответствующего оптического амплитудного модулятора, выход i-го оптического амплитудного модулятора подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, …, m), первый выход которого подключен к информационному входу i-го оптически управляемого транспаранта (i=1, 2, …, m), выход i-го оптически управляемого транспаранта подключен к i-му входу первого оптического m-входного объединителя (i=1, 2, …, m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен к i-му входу второго оптического m-входного объединителя (i=1, 2, …, m), выход первого оптического m-входного объединителя подключен ко входу фотоэлемента, выход второго оптического m-входного объединителя подключен ко входу фоторезистора, фотоэлемент и фоторезистор соединены последовательно, выводы фоторезистора являются выходом оптоэлектронного блока дефаззификации, выход оптоэлектронного блока дефаззификации является выходом устройства.