RU2449350C1 - Digital predicting and differentiating device - Google Patents

Digital predicting and differentiating device Download PDF

Info

Publication number
RU2449350C1
RU2449350C1 RU2011119338/08A RU2011119338A RU2449350C1 RU 2449350 C1 RU2449350 C1 RU 2449350C1 RU 2011119338/08 A RU2011119338/08 A RU 2011119338/08A RU 2011119338 A RU2011119338 A RU 2011119338A RU 2449350 C1 RU2449350 C1 RU 2449350C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
adder
output
input
subunit
block
Prior art date
Application number
RU2011119338/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Саяфович Магданов (RU)
Геннадий Саяфович Магданов
Юрий Анатольевич Рылов (RU)
Юрий Анатольевич Рылов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (КГЭУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (КГЭУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (КГЭУ)
Priority to RU2011119338/08A priority Critical patent/RU2449350C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2449350C1 publication Critical patent/RU2449350C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: device has a smoothing unit; a prediction unit having a first, a second and a third subtractor; a second derivative estimating unit having a subunit for calculating a second derivative at a second (n-1)-th reference point of the input process history consisting of an adder and a block of inverters, in which the addend input of the adder is connected to the data output of the smoothing unit, and the augend input of the adder is connected through the block of inverters to the output of the second adder of the subtractor, the output of the adder of the subunit is the third data output of the device, and the subunit for calculating the second derivative at the third (n-2)-th reference point of the input process history consisting of two adders, in which the addend input of the first adder is connected to the output of the multiplexer of the first subtractor, and the augend input is connected to the output of the block of inverters of the second subtractor. With wiring shift of the bus by one bit towards the most significant bits of the adder, the output of the first adder is connected to the second input of the second adder, the first input of which is connected to the output of the multiplexer of the third subtractor, and the output of the second adder of the subunit is the fourth data output of the device.
EFFECT: high quality and accuracy of control in digital dynamic control systems.
5 dwg

Description

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 (в т.ч. баллистических) объектов.The invention relates to automation and computer technology and can be used to predict stationary and non-stationary random processes, improve the quality and accuracy of control in digital control systems and guidance of various (including ballistic) objects.

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 ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, задающий время прогноза, выходные сумматоры расчета квадратичного и линейного прогнозов. Указанные аналоги функционально ограничены.Known devices for forecasting (extrapolation) (according to the autost. Of the USSR No. 1246775, class G06F 15/353, 1984, chipboard and according to the application No. 20111101014/08 (001268) dated January 12, 2011), containing a smoothing unit, block extrapolation (forecast), containing three subtractors, and a register of ordinates (calculated points) of the input process history, setting the forecast time, output adders for calculating quadratic and linear forecasts. These analogues are functionally limited.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа 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, регистр задания времени прогноза и блок оценки первой производной в n-й текущей расчетной точке предыстории экстраполируемого (прогнозируемого) входного процесса. Это устройство также функционально ограничено.The closest in technical essence to the claimed device is a device for adaptive extrapolation (forecast) selected as a prototype (according to ed. St. USSR No. 1572281, class G06F 15/353, 1988, chipboard), containing a smoothing unit, an extrapolation (forecast) block ), containing three subtractors, a register for specifying the forecast time and a block for estimating the first derivative at the nth current settlement point of the history of the extrapolated (predicted) input process. This device is also functionally limited.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей путем получения оценок вторых производных по формулам численного дифференцирования для равноотстоящих точек (узлов) предыстории входной сглаженной дискретной последовательности.The technical problem for the proposed device is to expand the functionality by obtaining estimates of the second derivatives according to the formulas of numerical differentiation for equally spaced points (nodes) of the history of the input smoothed discrete sequence.

Поэтому в цифровое прогнозирующее и дифференцирующее устройство, в состав которого входят: блок сглаживания (по авт. св. СССР №1531808, кл. H03H 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, регистр адреса ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, информационный вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время (интервал) прогноза, для решения поставленной задачи введен блок оценки вторых производных, содержащий субблок расчета второй производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса из сумматора и блока инверторов, в котором вход второго слагаемого сумматора подключен к информационному выходу блока сглаживания, а вход первого слагаемого сумматора через блок инверторов - к выходу сумматора второго вычитателя, выход сумматора субблока является третьим информационным выходом устройства для оценки второй производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса, и субблок расчета второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса из двух сумматоров, в котором вход второго слагаемого первого сумматора подключен к выходу мультиплексора первого вычитателя, а вход первого слагаемого - к выходу блока инверторов второго вычитателя, причем с монтажным сдвигом шин на один разряд в сторону старших разрядов сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу мультиплексора третьего вычитателя, выход второго сумматора субблока является четвертым информационным выходом устройства для оценки второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса.Therefore, in a digital predictive and differentiating device, which includes: a smoothing unit (according to ed. St. USSR No. 1531808, class H03H 17/04, 1988, chipboard), containing an adder, the first and second reversible counters, a single-channel smoothing subunit ( according to ed. St. USSR No. 748417, class G06F 15/32, 1980) from a series-connected adder and a register, a subunit for setting the deviation ratio containing a register, a counter and a delay element, a subunit of real deviations containing a block of inverters, two comparators and an element And, a subunit of unit increments, comprising two AND elements and an inverter, a dynamic characteristic control subunit, comprising two pulse shapers, an OR element, a counter, two AND elements and a mode trigger, information output of the smoothing unit, information, first control and clock inputs of the device; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; a prediction block comprising first, second and third subtracters, each of which contains a register memory block, a multiplexer, an inverter block and an adder, a quadratic prediction block containing three adders and an inverter block, the subblock output being the first information output of the device, the linear prediction subblock from one adder, the output of which is the second information output of the device, the ordinate address register (calculated points) of the history of the input process, the information input of which is the second The unit input of the device, which sets the forecast time (interval), for solving the problem, introduced the second derivatives estimation block, containing the second derivative calculation sub-block at the second (n-1) -th calculation point of the input process history from the adder and the inverter block, in which the input of the second term of the adder is connected to the information output of the smoothing unit, and the input of the first term of the adder through the inverter unit is connected to the output of the adder of the second subtractor, the output of the adder of the subunit is the third information output devices for evaluating the second derivative in the second (n-1) -th calculation point of the history of the input process, and the subunit of calculating the second derivative in the third (n-2) -th calculation point of the history of the input process from two adders, in which the input of the second term of the first adder connected to the output of the multiplexer of the first subtractor, and the input of the first term to the output of the inverter unit of the second subtracter, and with the busbar mounting offset by one bit towards the higher bits of the adder, the output of the first adder is connected to the second input of the second of the adder, the first input of which is connected to the output of the third subtractor multiplexer, the output of the second adder of the subunit is the fourth information output of the device for evaluating the second derivative in the third (n-2) -th calculation point of the input process history.

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 блока оценки вторых производных.The invention is illustrated by drawings, which depict: in Fig.1 - a block diagram of the proposed device; figure 2 is a block diagram of a smoothing unit; figure 3 is a block diagram of a single-channel anti-aliasing subunit; Fig. 4 is a block diagram of a timing unit of a forecast block; figure 5 is a block diagram of a forecast block and a block for evaluating second derivatives.

Устройство реализует модифицированные операторы квадратичного [КВ4] и линейного [ЛН4] прогнозов, полученные с помощью аппроксимирующих многочленов по четырем точкам (ординатам) предыстории входной сглаженной дискретной последовательности способом наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. - М.: «ИЛ», 1951, стр.212):The device implements modified quadratic [КВ4] and linear [ЛН4] prediction operators, obtained using approximating polynomials at four points (ordinates) of the history of the input smoothed discrete sequence using the least squares method (Milne V.E. Numerical analysis. - M.: “IL” , 1951, p. 212):

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где Δy1=(2yn-yn-1) - биразность 1-го уровня предыстории процесса;where Δy 1 = (2y n -y n-1 ) is the biodiversity of the 1st level of the process history;

Δy2=(2yn-1-yn-2) - биразность 2-го уровня;Δy 2 = (2y n-1 -y n-2 ) - biodiversity of the 2nd level;

Δy3=(2yn-1-yn-3) - биразность 3-го уровня;Δy 3 = (2y n-1 -y n-3 ) - biodiversity of the 3rd level;

yn, yn-1, yn-2, yn-3 - первая (текущая), вторая, третья и четвертая расчетные точки (ординаты) трехуровневой предыстории входного случайного сглаженного дискретного процесса.y n , y n-1 , y n-2 , y n-3 - the first (current), second, third and fourth design points (ordinates) of the three-level history of the input random smoothed discrete process.

Методы исчисления конечных разностей для численного дифференцирования и интерполяции (экстраполяции) базируются на системе равноотстоящих узлов (точек) с шагом h, в данном случае это система ординат (расчетных точек) во временном континууме трехуровневой предыстории входной дискретной последовательности, где h - интервал между ординатами (точками), соответственно, время (глубина) прогноза.The methods for calculating finite differences for numerical differentiation and interpolation (extrapolation) are based on a system of equally spaced nodes (points) with a step h, in this case, the ordinate system (calculated points) in the time continuum of the three-level history of the input discrete sequence, where h is the interval between the ordinates ( points), respectively, the time (depth) of the forecast.

Известны формулы численного дифференцирования для равноотстоящих точек, выраженные через значения функции в этих точках (Дж.Поллард. Справочник по вычислительным методам статистики. - М.: «ФС», 1982, стр.62), в частности, для трех точек имеем:Known formulas for numerical differentiation for equally spaced points, expressed in terms of the function values at these points (J.Pollard. A Handbook of Computational Methods of Statistics. - M .: FS, 1982, p. 62), in particular, for three points we have:

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Ниже приводится таблица соответствия нумерации расчетных точек (узлов) предыстории нумерации точек в первоисточнике.The table below shows the correspondence of the numbering of calculated points (nodes) to the history of the numbering of points in the original source.

Номер расчетной точки в предысторииHistorical Settlement Point Number 4four 33 22 1one   yn-i y ni yn-3 y n-3 yn-2 y n-2 yn-1 y n-1 yn y n yn+1 y n + 1 fi f i f2 f 2 f1 f 1 f0 f 0 f-1 f -1  

С учетом биразностей формулы (3) и (4) перепишутся в следующем виде:Taking into account biodiversity, formulas (3) and (4) will be rewritten as follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Как видно из формул дифференцирования (5) и (6), основными типовыми элементами при их реализации становятся сумматор и блок инверторов, а умножение коэффициентов на слагаемые выполняется соответствующими монтажными сдвигами шин последних при вводе в сумматор. Такие операции на блок-схеме (см. фиг.5) обозначены кружочком.As can be seen from the differentiation formulas (5) and (6), the adder and the inverter block become the main typical elements during their implementation, and the multiplication of the coefficients by the terms is carried out by the corresponding mounting shifts of the latter buses when entering the adder. Such operations on the block diagram (see figure 5) are indicated by a circle.

Устройство содержит (см. фиг.1) блок сглаживания 1, блок прогноза 2 и блок оценки вторых производных 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, два элемента И 22.1 и 22.2 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; регистр 54 хранения 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). Блок 3 оценки вторых производных (см. фиг.5) содержит субблок 56 расчета второй производной в второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса из сумматора 57, блока инверторов 58 и третьего информационного выхода 59 устройства, субблок 60 расчета второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса из первого сумматора 61, второго сумматора 62 и четвертого информационного выхода 63 устройства.The device comprises (see Fig. 1) a smoothing unit 1, a prediction unit 2, and a second derivative estimation unit 3. The smoothing unit 1 contains (see Fig. 2) an adder 4, a real deviation subunit 5, comprising an inverter unit 6, two comparators 7.1 and 7.2 and the And 8 element, the first reversible counter 9, the subunit 10 for setting the deviation ratio containing the register 11, the counter 12 and the delay element 13, the subunit 14 of incremental increments, containing the inverter 15 and the two And 16.1 and 16.2 elements, the second reversible counter 17, dynamic response control subunit 18 comprising two pulse shaper 19.1 and 19.2, an OR gate 20, counter 21, two AND gates 22.1 and 22.2 and a trigger mode 23; information input 24 of the smoothing unit and the device, the first control 25 and clocking 26 inputs of the device and the smoothing unit; single-channel anti-aliasing subunit 27 (see Fig. 3), comprising adder 28 and register 29 connected in series; information output 30. The timing unit 31 of the forecast block contains (see FIG. 4) a delay element 32, a trigger 33, a pulse generator 34, an And 35 element and a shift register 36. Prediction block 2 (see FIG. 5) contains the first 37, the second 38 and third 39 subtractors, each of which contains a block of register memory 40 from (A) series-connected registers 41, a multiplexer 42, a block of inverters 43 (assuming that the multiplexer does not have inverse outputs) and an adder 44; the first prediction subunit 45 containing the inverters 46, the first 47, the second 48 and the third 49 adders, the output 50 of the third adder of the subunit is the first information output of the device; the second subunit 51, comprising an adder 52, the output of which is connected to the second information output 53 of the device; register 54 for storing the address (A) of the ordinates of settlement points of the process history, input 55 of which is the second control input of the device, which sets the forecast time H = AT (T is the cycle of the device, A is the maximum address of the memory register 41 of block 40). Block 3 for evaluating the second derivatives (see Fig. 5) contains a subunit 56 for calculating the second derivative at the second (n-1) th calculation point in the history of the input process from the adder 57, block of inverters 58 and the third information output 59 of the device, subunit 60 for calculating the second derivative in the third (n-2) -th calculation point of the history of the input process from the first adder 61, the second adder 62 and the fourth information output 63 of the device.

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:The cycle of the device consists of 4 cycles. The smoothing unit 1 operates in two modes: stationary and dynamic (transitional), and all operations are performed in it in one (1st) cycle. In stationary mode, the unit smooths the input random discrete process, the deterministic basis (median) of which can have a constant, linear or non-linear (quadratic) character of change in time. The smoothing unit 1 (see figure 2) implements the following modification of the operator of signature exponential smoothing:

Figure 00000007
Figure 00000007

где xn и yn - входная и выходная дискреты;where x n and y n are the input and output discrete;

α=1/К - параметр сглаживания, К - параметр адаптации;α = 1 / K is the smoothing parameter, K is the adaptation parameter;

±xn=(xn-yn-1) - текущие отклонения от медианы процесса.± x n = (x n -y n-1 ) - current deviations from the median of the process.

В качестве критерия эффективности (точности) сглаживания выбрано соотношение d между нулевыми и действительными отклонениями Δxn. Последние формируют текущие единичные приращения обоего знака выходной дискреты в соответствии с сигнатурной функцией в (7):As a criterion for the effectiveness (accuracy) of smoothing, the ratio d between zero and actual deviations Δx n is chosen. The latter form the current unit increments of both signs of the output discretes in accordance with the signature function in (7):

sign [Δxn/K]=0 для [Δxn-K]<0 (Δxn - нулевые отклонения),sign [Δx n / K] = 0 for [Δx n -K] <0 (Δx n are zero deviations),

sign [Δxn/K]=1 для [Δxn-K]>0 (Δxn - действительные отклонения).sign [Δx n / K] = 1 for [Δx n -K]> 0 (Δx n are real deviations).

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 K. Процесс адаптивного сглаживания заключается в следующем. Пусть (при определенном коде K в счетчике 9) возросла дисперсия входного дискретного процесса, т.е. возросло число действительных отклонений Δxn (обоих знаков). После сравнения их с параметром адаптации K на выходе блоков компараторов 7.1 и 7.2 субблока 5 (играющего роль отрицательной обратной связи) устанавливаются логические «1» (режим работы компараторов: [Δxn>K]=«1», [Δxn<K]=«0»), поступающие на вход элемента И8. Так как на стационарном режиме триггер режима 23 находится в состоянии «0» (D=0), то с его инверсного выхода на первый вход элемента И8 субблока 5 также поступает логическая «1». Высокий уровень сигнала на всех входах элемента И8 разрешает прохождение тактовых импульсов с входа 26 на суммирующий вход первого реверсивного счетчика 9 (код K 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 (7). Процесс роста K 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).In stationary mode (D = 0 - a sign of mode), block 1 smooths the input random sequence of discrete to the level specified by the relation d (real range d = 7 ÷ 190), which is entered before the device starts from input 25 into register 11 of subunit 10 of the deflection ratio . The latter is a controllable frequency divider, for example, with d = 7, every seventh clock pulse from input 26 appears at the output of the direct transfer of counter 12, which through the delay element 13 overwrites the inverse code d from register 11 to counter 12 (for the next divider cycle) and subtracts “1” from the first reverse counter 9 containing the adaptation parameter code K. The adaptive smoothing process is as follows. Let (for a certain code K in counter 9), the variance of the input discrete process increase, i.e. the number of actual deviations Δx n (of both signs) increased. After comparing them with the adaptation parameter K at the output of the comparator blocks 7.1 and 7.2 of the subunit 5 (playing the role of negative feedback), logical “1” is set (the mode of operation of the comparators: [Δx n > K] = “1”, [Δx n <K] = "0") received at the input of the element And8. Since in stationary mode the trigger of mode 23 is in the state “0” (D = 0), then from its inverse output to the first input of the I8 element of subunit 5, logical “1” also arrives. A high level of the signal at all the inputs of the I8 element allows the passage of clock pulses from input 26 to the summing input of the first reverse counter 9 (the K code in the last increases) and to the second inputs of the elements And 16.1 and 16.2 of the subunit of unit increments 14. The signal from the output of one of them ( depending on the sign of the deviation) it enters the summing (or subtracting) input of the second reversing counter 17 of the smoothing result, i.e. the signature function (7) is implemented. The growth process K will lead to a decrease in the number of actual deviations and will continue until a dynamic equilibrium sets in, i.e. the number of pulses received from the subunit 10 to the subtracting input of the counter 9 will be equal to the number of pulses received at its summing input from the subunit 5, and the variance of the output smoothed discrete sequence will remain unchanged (for d = 7: seven real zero deviations should occur).

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:

Figure 00000008
, 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 m=8 (восьми) отклонений от медианы (детерминированной основы) процесса одного знака подряд, в соответствии с геометрическим законом распределения вероятностей, равнаTransient (dynamic) mode can be caused by acceleration, bend, transition from one stationary mode to another, etc., i.e. an almost abrupt change in the process. To smooth the input discrete sequence in transient (dynamic) modes (D = 1), a single-channel smoothing subunit 27 is used (see Fig. 3), which implements the following exponential smoothing operator:
Figure 00000008
, i.e. with a minimum degree of smoothing and, accordingly, with a minimum phase shift (delay) of the output discrete. Subunit 27 operates in both modes, is initiated by clock pulses from input 26 in register 29, but is used only in transition (dynamic) mode. For a stationary random process, the probability of a series appearing, for example, from m = 8 (eight) deviations from the median (deterministic basis) of the process of one sign in a row, in accordance with the geometric law of probability distribution, is

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

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).those. so small that the appearance of such a series can be considered the beginning of a transitional regime. Subunit 18 captures such a series and works as follows. Since for the stationary mode the deviations of different signs are most likely, when the sign in the adder 4 changes from “plus” to “minus” and vice versa, the pulse shapers 19.1 or 19.2 are triggered and through counter OR 20 they reset counter 21 and trigger to “0” mode 23 (D = 0). In the dynamic mode (the shapers 19 do not work), the counter 21 (for example, 4-bit) will certainly receive eight pulses in a row from the clock input 26. At the output of the high-order bit of the counter 21, a logical “1” will be set, the high signal level of which will ensure passage through the first element And 22.1 clock pulse, which sets the trigger mode 23 in "1" (D = 1). The last signal from the inverse output will block the operation of the subunit 5 of the actual deviations and, accordingly, the subunit of 14 unit increments, and by the high level of the direct output signal it will allow the discretization from the single-channel smoothing subunit 27 to the second reversal counter 17 of the smoothing result through the second element And 22.2. At the end of the transition mode, in the adder 4, deviations of different signs will inevitably occur, which will lead to the operation of the pulse shapers 19 and, accordingly, to the switching of the trigger of mode 23 to the state “0” (stationary smoothing mode, D = 0).

Операции прогнозирования выполняются 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 уп 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 с регистра 54, записанный 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 уп-1) через блок инверторов 43 поступает на вход второго слагаемого сумматора 44, на входе первого слагаемого которого стоит удвоенная ордината предшествующей расчетной точки уп. 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, на выходе 53 субблока 51 в соответствии с формулой (2) - код оценки линейного прогноза для стационарной или медленно меняющейся входной дискретной последовательности, на выходе 59 субблока 56 в соответствии с формулой (5) - код оценки второй производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса, а на выходе 63 субблока 60 в соответствии с формулой (6) - код оценки второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса.Forecasting operations are performed in three cycles, respectively, 2nd, 3rd and 4th. They are formed by a series of three clock pulses from the clock node 31 (see figure 4). A clock pulse from input 26 zeroes trigger 33 and writes “1” to the least significant bit of the shift register 36. The same clock pulse, delayed by delay element 32, sets trigger 33 to “1”, thereby allowing pulses from generator 34 to pass through element 35 to shift register 36, on the tires of the least significant bits of which (“a”, “b”, “c”, etc.) the above series appears. In the 2nd step, the ordinate of the current (first) calculated point y p is recorded in the first register 41 of the block 40 of the register memory of the first subtracter 37. At the same time, all previous ordinates are rewritten (shifted) to neighboring registers 41. The address code is received at the address input of multiplexer 42 (A) the ordinates of the history from the register 54, recorded from the second control input 55 before starting the operation of the device and determining the time (interval) of the forecast Н = AT. Accordingly ordinate location output from the multiplexer 42 (already calculated the second point y n-1) via the unit inverter 43 is input to the adder 44 of the second term, the first term at the input of which is twice the ordinate at the previous calculation point p. The output of the adder of the first subtractor 37 establishes the biodiversity of the 1st level of the history of the input discrete sequence. In the 3rd and 4th steps, operations are performed similar to those described above, but already for the second 38 and third 39 subtracters, the outputs of which are set, respectively, biodities of the 2nd and 3rd levels of history. All adders in the device are combinational. At the end of the 4th cycle, at the output 50 of the subunit 45, in accordance with the empirical formula (1), the quadratic (nonlinear) prediction code for the non-stationary input discrete sequence is set, at the output 53 of the subunit 51, in accordance with the formula (2), the linear prediction estimation code for a stationary or slowly changing input discrete sequence, the output 59 of the subunit 56 in accordance with formula (5) is the code for evaluating the second derivative at the second (n-1) -th calculation point in the history of the input process, and the output is 63 subunits 60, in accordance with formula (6), is the code for evaluating the second derivative at the third (n-2) -th calculation point in the history of the input process.

Введение в устройство субблоков расчета вторых производных во второй (n-1)-й и третьей (n-2)-й расчетных точках предыстории (т.е. разнесенных по времени) дает возможность анализировать характер (тенденцию) изменения параметров прогнозируемого процесса (рост - снижение, ускорение - замедление и т.д.), оценить его интенсивность (например, градиент полей температур, давлений и др.), что повышает качество управления особенно быстродинамических объектов, использующих хорошо известные ПИД-регуляторы.Introduction to the device of subunits for calculating the second derivatives at the second (n-1) -th and third (n-2) -th calculation points of the prehistory (i.e., separated in time) makes it possible to analyze the nature (tendency) of changes in the parameters of the predicted process (growth - decrease, acceleration - deceleration, etc.), evaluate its intensity (for example, the gradient of temperature fields, pressures, etc.), which improves the quality of control of especially fast-dynamic objects using well-known PID controllers.

Claims (1)

Цифровое прогнозирующее и дифференцирующее устройство, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий сумматор, первый и второй реверсивные счетчики, одноканальный субблок сглаживания 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, регистр адреса ординат (расчетных точек) предыстории входного процесса, вход которого является вторым управляющим входом устройства, задающим время (интервал) прогноза, отличающееся тем, что в него введен блок оценки вторых производных, содержащий субблок расчета второй производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса из сумматора и блока инверторов, в котором вход второго слагаемого сумматора подключен к информационному выходу блока сглаживания, а вход первого слагаемого сумматора через блок инверторов - к выходу сумматора второго вычитателя, выход сумматора субблока является третьим информационным выходом устройства для оценки второй производной во второй (n-1)-й расчетной точке предыстории входного процесса, и субблок расчета второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса из двух сумматоров, в котором вход второго слагаемого первого сумматора подключен к выходу мультиплексора первого вычитателя, а вход первого слагаемого - к выходу блока инверторов второго вычитателя, причем с монтажным сдвигом шин на один разряд в сторону старших разрядов сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу мультиплексора третьего вычитателя, выход второго сумматора субблока является четвертым информационным выходом устройства для оценки второй производной в третьей (n-2)-й расчетной точке предыстории входного процесса. A digital predictive and differentiating device, which includes: a smoothing unit containing an adder, first and second reversible counters, a single-channel smoothing subunit from a series-connected adder and register, a deviation ratio setting subunit containing a register, counter and delay element, a valid deviation subunit, comprising a block of inverters, two comparators and an element And, a subunit of unit increments, containing two elements And and an inverter, a subunit of control of the dynamic characteristic a casing containing two pulse shapers, an OR element, a counter, two And elements and a mode trigger, the information output of the smoothing unit, information, the first control and clock inputs of the device; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; a prediction block comprising first, second and third subtracters, each of which contains a register memory block, a multiplexer, an inverter block and an adder, a quadratic prediction block containing three adders and an inverter block, the subblock output being the first information output of the device, the linear prediction subblock from one adder, the output of which is the second information output of the device, the register of ordinates (calculated points) of the history of the input process, the input of which is the second control input m device that sets the time (interval) of the forecast, characterized in that it includes a block for estimating the second derivatives, containing a subunit for calculating the second derivative in the second (n-1) -th calculation point of the history of the input process from the adder and the inverter block, in which the input the second term of the adder is connected to the information output of the smoothing unit, and the input of the first term of the adder through the inverter unit is connected to the output of the adder of the second subtractor, the output of the adder of the subunit is the third information output of the device ki of the second derivative in the second (n-1) -th calculation point of the history of the input process, and the subunit of the calculation of the second derivative in the third (n-2) -th calculation point of the history of the input process from two adders, in which the input of the second term of the first adder is connected to the output of the multiplexer of the first subtractor, and the input of the first term to the output of the inverter unit of the second subtractor, and with the busbar mounting offset by one bit towards the higher bits of the adder, the output of the first adder is connected to the second input of the second adder, the first the input of which is connected to the output of the third subtractor multiplexer, the output of the second adder of the subunit is the fourth information output of the device for evaluating the second derivative at the third (n-2) -th calculation point of the input process history.
RU2011119338/08A 2011-05-13 2011-05-13 Digital predicting and differentiating device RU2449350C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011119338/08A RU2449350C1 (en) 2011-05-13 2011-05-13 Digital predicting and differentiating device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011119338/08A RU2449350C1 (en) 2011-05-13 2011-05-13 Digital predicting and differentiating device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2449350C1 true RU2449350C1 (en) 2012-04-27

Family

ID=46297636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011119338/08A RU2449350C1 (en) 2011-05-13 2011-05-13 Digital predicting and differentiating device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2449350C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535467C1 (en) * 2014-02-18 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Adaptive digital differentiating and predicting device
RU2622852C1 (en) * 2016-08-01 2017-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") Adaptive digital smoothing and predictive device
RU2622851C1 (en) * 2016-08-01 2017-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") Adaptive digital predictive device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU373733A1 (en) * 1971-05-21 1973-03-12 Институт технической кибернетики Белорусской ССР YSESOYUPN '- ^ -' V g • '• - ^' ^ 1 '• •• •
SU924724A1 (en) * 1980-05-27 1982-04-30 Институт Автоматики И Процессов Управления С Вычислительным Центром Дальневосточного Научного Центра Ан Ссср Device for extrapolation of linear process
SU1042027A1 (en) * 1982-04-15 1983-09-15 Минский радиотехнический институт Differentiating device
SU1479937A1 (en) * 1987-05-18 1989-05-15 Войсковая Часть 11284 Event logic forecating unit
EP0902899A1 (en) * 1996-06-07 1999-03-24 Sextant Avionique Satellite signal receiver with position extrapolation filter
RU2000110823A (en) * 2000-04-26 2002-04-20 Федеральное Государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Стрела" METHOD FOR EXTRAPOLATION OF COORDINATES OF BALLISTIC OBJECTIVES AT ITS AUTOMOTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU373733A1 (en) * 1971-05-21 1973-03-12 Институт технической кибернетики Белорусской ССР YSESOYUPN '- ^ -' V g • '• - ^' ^ 1 '• •• •
SU924724A1 (en) * 1980-05-27 1982-04-30 Институт Автоматики И Процессов Управления С Вычислительным Центром Дальневосточного Научного Центра Ан Ссср Device for extrapolation of linear process
SU1042027A1 (en) * 1982-04-15 1983-09-15 Минский радиотехнический институт Differentiating device
SU1479937A1 (en) * 1987-05-18 1989-05-15 Войсковая Часть 11284 Event logic forecating unit
EP0902899A1 (en) * 1996-06-07 1999-03-24 Sextant Avionique Satellite signal receiver with position extrapolation filter
RU2000110823A (en) * 2000-04-26 2002-04-20 Федеральное Государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Стрела" METHOD FOR EXTRAPOLATION OF COORDINATES OF BALLISTIC OBJECTIVES AT ITS AUTOMOTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535467C1 (en) * 2014-02-18 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") Adaptive digital differentiating and predicting device
RU2622852C1 (en) * 2016-08-01 2017-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") Adaptive digital smoothing and predictive device
RU2622851C1 (en) * 2016-08-01 2017-06-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") Adaptive digital predictive device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2450343C1 (en) Digital predicting and differentiating device
RU2451328C1 (en) Adaptive digital predictor
RU2455682C1 (en) Digital predictor
KR101894288B1 (en) Method and system for empirical modeling of time-varying, parameter-varying, and nonlinear systems via iterative linear subspace computation
GB2586565A (en) Anomaly detection
RU2446454C1 (en) Digital predictor
RU2517316C1 (en) Adaptive digital predictor
RU2517322C1 (en) Adaptive digital predicting and differentiating device
RU2449350C1 (en) Digital predicting and differentiating device
RU2475831C1 (en) Adaptive digital predicting and differentiating device
RU2517317C1 (en) Adaptive digital predicting and differentiating device
RU2477887C1 (en) Digital predictor
JP2018041149A (en) Model prediction control device, method for controlling model prediction control device, information processing program, and recording medium
RU2515215C1 (en) Digital predicting and differentiating device
RU2470359C1 (en) Digital predicting and differentiating device
RU2535467C1 (en) Adaptive digital differentiating and predicting device
RU2622852C1 (en) Adaptive digital smoothing and predictive device
RU2459241C1 (en) Digital predictor
RU2680217C1 (en) Digital predictor
RU2626338C1 (en) Adaptive digital smoothing and predictive device
RU2629641C1 (en) Digital predictor
RU2446461C2 (en) Digital predictor
RU2629643C2 (en) Adaptive digital predictor
RU2643645C2 (en) Digital predictive device
RU2622851C1 (en) Adaptive digital predictive device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140514