Статистический анализатор случайныхпроцессов

Союз Советских Социалистицеских Республик(22) Заявлено 28.07.72 (21) 1822027/18-24с присоединением заявки Ле -(51) М, Кл, 6 Обд 7/52 Гасударственный комитетСовета йинистров СССРао делам изобретенийи Открытий(71) Заявитель Омский институт инженеров железнодорожного транспорта(54) СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВх = пг + е(1), (1)х(1) - исследуемый процесс;ггг(1) - детерминированная функциявремени, выраженная в видематематического ожидания71 х (г) =777 гг+ 777 (г ); где Очевидно, что процесс х не является стационарным, так как его математическое ожидание за 7 висит от времени. Особеногостью та кого,нестационарного процесса является наличие,в нем периодической компоненты и (1), у которой период и амплитуда, как правило, заранее неизвестны. Статисгичеокий аочализ случайных проце 7 с 7 сов, содержащих периодическую составляюшую т (1), известными анализаторами приводит к значительной погрешности измерения, которая может быть частич 7 но устранена за счет увеличения устаповлен,Предлагаемое изобретение относится кустройствам для статистического анализа случайных, процессов, в частности, для получения гистограмм дифференциальных и интегральных функций распределения величин, изме няющихся во времени и являюгцнхся случайными.Известные статистические анализаторы,работа которых основана на методе равномерных дис 7 кретных выбо 7 рок, применяются для 10 ггз 7 мерения фуагкций распределения контролируемых процессов, обладающих, как правило, свойствами стационарности и эргодичностн, например, статистический анализатор аналоговых величин. 15Однако сугцесгвует большое число реальных объектов, в которых существенную роль ггграют случайные процессы со скрытыми периодичностями. Например, изменение параметров электрического режима на шинах тя говых подстанций электрифицированного транспорта может содержать статистически значимую скрытую периодическую компоненту, вызванную установленным графиком движения поездов, С такого рода случаями приходится сталкиваться также при определении в динамике эксплуатационных качеств двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, гребных винтов, электрических глашин, при определении характеристик механических пе- з 0 редач, т. е. во всех случаях, когда реким работы объекта является циклическим. Математическая модель таких процессов может бытьпредставлена формулой; в - центрированная стационарнаяслучайная функция времени; т, и т (г) - постоягная н периодическаясоставляющая лгсоответственноо.ного времени измерения в зависимости от частоты периодической составляющей т (1) исследуемого процесса х(1). Но так как частота периодической компоненты заранее неизвестна, то задача по определению необходимого времени измерения становится неопределенной и ошибка измерения является неизбежной.С целью достоверного, параллельного статистического анализа случайных процессов как стационарных, так и содержащих периодические составляющие, изменяют период следования импульсов опроса (дискретных выборок) по случайному закону путем введения в параллельный анализатор генератора случайных импульсов, подключенного через схему сопряжения ко входу ключа запрета, включенного в цепь управления генератора тактовых импульсов.На чертеже приведена функциональная схема статистического анализатора случайных процессов.Статистический анализатор случайных процессов состоит из многоканального измерительного блока 1, количество каналов которого равно числу к параллельно анализируемых процессов х(1); пересчетной схемы 2, првдставляющей,собой и-разрядный двоичный счетчик импульсов н выполненной на триггерах Тг 1 - Тгп; генератора тактовых импульсов 3, выход которого подключен ко входу пересчетной схемы 2; генератора случайных импульсов 4; схемы сопряжения 5, выполненной, например, в виде симметричного управляюгцего трнпера, вход О которого подключен к выходу генератора случайных импульсов 4, вход 1 - . к выходу старшего разряда псресчетной схемы 2; электронного (транзисторного) ключа-элемента запрета б, включенного последовательно в цепь питания генератора тактовых импульсов 3, причем вход ключа запрета б присоединен к выходу схемы сопряжения 5; дешифратора 7, выполненного, например, в виде диодной матрицы, у которого входы присоединены к выходам соответствующих разрядов пересчетной схемы 2; электронных (транзисторных) ключей 8, число о которых равно (2" - 1) и входы которых соответственно подключены к выходным шинам, кроме первой, дешифратора 7; преобразователя 9 двоичного кода в аналог, выполненного по схеме параллельного преобразователя суммирования напряжений с эталонными сопротивлениями двух номиналов Л и 2 Я, входы которого подключены соответственно к выходам разрядов пересчетной схемы 2. Каждый канал измерительного блока 1 содержит электронный (транзисторный) ключ 10; счетчики электрических импульсов 11 (СИ), которые однимн своими зажимами соединены через, первые транзисторные ключи 8 с одним из полюсов источника питания У, а другими зажимами соединены между собой и через транзисторный ключ 10 измерительного блока 1 - с другим полюсом источника пита 5 1 О 15 20 рГ 30 35 40 45 50 55 60 б 5 ния (1; сравнивающее устройство 12, на информационный вход которого воздействует анализируемый случайный процесс х(1), второй вход подключен к выходу преобразователя 9 двоичного кода в аналог, а третий вход (сброс) присоединен к выходу старшего разряда пересчетной схемы 2; переключатель 13, у которого один, неподвижный контакт 14,присоединен к первому (интегральному) выходу сравнивающего устройства 12, а другой неподвижный контакт 15 - ко второму (дифференциальному) выходу сравнивающего устройства 12, а подвижный контакт 1 б подключен ко входу транзисторного ключа 10 измерительного блока 1.За исходное принимается такое состояние схемы, когда выходное плечо управляющего триггера схемы сопряжсния 5 открыто. Прц этом импульс на выходе генератора случайных импульсов 4 отсутствует, электронный ключ запрета б, включенный последовательно в цепь питания генератора тактовых импульсов 3, закрыт.С появлением импульса на выходе генератора случайных импульсов триггер схемы сопряжения 5 опрокидывается и с его выхода снимается высокий потенциал, который, поступая на вход электронного ключа б, открывает его и разрешает работу генератора тактовых импульсов 3. Генератор тактовых импульсов 3 вырабатывает последователвность импульсов с заданной частотой повторения, которые поступают ца вход пересчетной схемы 2. С выходов трнггеров Тг 1 - Тгп пере.счетной схемы 2 импульсы в двоичном коде поступают на входы дешнфратора 7, с выходов которого импульсы в позиционном кодс, называемые в дальнейшем импульсами разрсшения записи, поступают поочередно на входы электронных (транзцсторных) ключей 8.Одновременно с выходов триггеров Тг 1 - Тгп пересчетной схемы 2,импульсы поступают на входы преобразователя 9 двоичного кода в аналог, который в течение каждой серии, состоящей из 2" импульсов тактового генератора 3, формирует на своем выходе импульсы опроса, передний фронт которых образован равномерно изменяющейся ступенчатой кри вой. Анализируемые процессы х, (г),хг(1), х(1) воздействуют на информационные входы соответствующих сравнивающих устройств 12 измерительного блока 1. Импульсы опроса поступают одновременно на вторые входы сравнивающих устройспв 12, накладываясь таким образом в каждом из сравнивающих устройств 12 на соответствующие анализируемые процессы. Ступеньки в течение каждого импульса опроса образуют уровни квантования амплитуд анализируемых процессов х(1), х(1) х (1), а число их определяется количеством разрядов п пересчетной схемы 2 и равно 2". При этом число интервалов (квантов), на которое разбиваются возможные амплитуды анализируемых процессов, равно 2" - 1. Таким образом, равномерно15 изменяющаяся часть импульсов опроса используется в качестве эталонного напряжения для сравнения с анализируемыми. Заметим, что так как выходы пересчетной схемы 2 подключены ко входам дешифратора 7 и преоб.разователя 9 двоичного кода в аналог, товременные позиции соответствующих импульсов разрешения записи на выходах дешифратора 7 и ступенек импульса опроса, лежащих па оси времени 1, совпадают по времени с импульсом разрешения записи, снимаемым с первой шины дешифратора 7, вторая ступенька совпадает с импульсом разрешения записи, снимаемым со второй шины дешифратора 7, и т. д, Так как первый квант ооразуется между первой и второй ступеньками, то первый импульс разрешения записи не используется (соответствующая шина свободна) и соответствие по времени формирования квантов и импульсов разрешения записи устанавливается следующим: первый квант соответствует второму импульсу разрешения записи (вторая шина дешифратора 7), второй квант - третьему и т. д.В момент равенства ступенчатого напряжения и анализируемого на выходах сравнивающего устройства появляются импульсы различной длительности. Если подвияный контакт 1 б переключателя 13 установлен в положение 14, то на вход транзисторного ключа 10 измерительного блока 1 поступает импульс с,перьвого (интепрального) выхода оравнивающего устройства 12, если же контакт 1 б установлен в положение 1 б, то на вход транзисторного ключа 10 поступает импульс со второго (дифференциального) выхода сравнивающего устройства 12. Переключатель 13 позволяет оперативно изменять задачу статистического анализа в зависимости от необходимости получения гистограмм интегральных или дифференциальных законов распределения по одному или нескольким анализируемым процессам.Для получения гистограмм интегральных функций распределения анализируемых величин подвижный контакт 1 б ставят в положение 14. Тогда импульс с,перього (интеграль ного) выхода сравнивающего устройства 12 поступает на вход транзисторного ключа 10 измерительного блока 1, который, открывшись, подключает клемму источника питающего напряжения Ук одним зажимам счетчиков импульсов (СИ 1 - СИд) на время, равное длительности с момента сравнения до окончания текущего импульса опроса. В течение этого времени импульсы разрешения записи поочередно открывают транзисторные ключи 8, которые в той же,последовательности подключают к другим зажимам счетчиков импульсов второй полюс питающего напряжения У. При этом поочередно срабатывают счетчики импульсов, у которых окажутся одновременно подключенными к источнику питания оба зажима. При попадании величины х, (1) вначале во второй, а затем в первый, шестой и третий 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 кванты, длительности импульсов, поступающих на вход транзисторного ключа 10, обеспечивают срабатывание групп счетчиков вначале СИ 2 - СИд, затем СИ 1 - СИд и т. д.Для получения гистограмм дифференциальных функций распределения анализируемых процессов, подвижный контакт 16 переключателя 13 ставят в положение 15. Тогда импульс со второго (дифференциального) выхода сравнивающего устройства 12 поступает на вход транзисторного ключа 10, Транзисторный ключ 10 открывается и подключает клемму источника питающего напряжения Ук одним зажимам счетчиков импульсов на время, равное длительности входного импульса, а длительность входного импульса устанавливается несколько меньшей длительности одной ступеньки импульса опроса. При этом срабатывает тот из счетчиков импульсов, ко второму зажиму которого транзисторный ключ 8 подключает другую клемму источника питающего напряжения Е/, х(1) последовательно попадает во второй, первый, шестой и третий кванты. Временные позиции импульсов, снимаемых со второго (дифференциального) выхода сравнивающих устройств 12, совпадают вначале с третьим, затем со вторым, седьмым и четвертым импульсами разрешения записи. Соответственно срабатывают счетчики электрических импульсов СИ 2, СИ 1, СИ 6, СИЗ,Через 2" импульсов тактового генератора 3 импульс с выхода старшето разряда пере- счетной схемы 2 поступает на третий вход сравнивающего устройства 12 и на вход 1 управляющего триггера схемы сопряжения 5, восстанавливая тем самым исходное состояние. С приходом следующего импульса с генератора случайных импульсов 4 описанный цикл работы схемы предлатаемого анализатора повторяется. Так как генератор случайных импульсов 4 является устройством, разрешающим начало формирования импульса опроса, длительность которого фиксирована и определяется частотой тактового генератора 3 и чисюм разрядов л пересчетной схемы 2, то период следования импульсов снпроса и, следоват ельно, частота выборок будет случайнойеличиной, закон распределения которой определяется только соответствующими характеристиками генератора случайных импульсов.Как правило, составляющие (см. формулу (1) анализируемого процесса х являются независимыми, так как порождаются различными причинами. Это означает, что функция распределения процесса х(1) является композицией функций распределения его составляющих. Известныс статистические анализаторы, иапользующие метод равномерной выборки, могут давать достоверные статистические оценки лишь при анализе составляющих то и в(1), Измерение же статистик периодической составляющей т (1) такими анализаторами приводит к искажению кривой ее функциираспределения и, следовательно, функции распределения всего анализируемого процесса х(1). Характер и степень искажений при установленном времени измерения зависит от соотношения между заданной частотой выборки и частотой периодической компоненты т-Р)Для получения достоверных оценок во всех рассмотренных случаях необходимо априорное знание частоты периодической составляющей т (1) с тем, чтобы соответственно выбрать время измерения статистик процесса х(г). Но так как частота скрытой периодичности заранее неизвестна, то задача по определению необходимого времени измерения становится неопределенной и ошибка измерения в этих случаях является, неизбежной.Если период следования импульсов опроса изменять по случайному закону, то возможные искажения функции распределения в первом случае значительно уменьшаются, а в двух последних устраняются.Таким образом, за счет введения генератора случайных импульсов, функционально сопряженного со схемой статистического анализатора, работающего по методу равномерных дискретных выборок, обеспечивается новое качество прибора, а именно: возможность достоверного автоматизированного статистического анализа ряда случайных процессов, содержащих периодические составляющие. Таким ооразом область применения статистического анализатора расширяется.,В предлагаемом статистическом анализаторе случайных процессов может быть использована любая схема генератора случайных импульсов, реализующая формирование им пульсной последовательности, период которойменяется по закону равномерного распределения.Предмет изобретения15Статистический анализатор случайныхпроцессов по авт, св.374628 (заявка1653815/18-24), отличающийся тем, что, с целью повышения точности работы анализатора, он содержит элемент запрета, управляющий триггер и генератор случайных импульсов, выход которого подключен к нулевому входу управляющего триггера, единичный вход которого соединен с выходом старшего разряда пересчетной схемынулевой выход триггера через элемент запрета подключен ко входу генератора тактсвых импульсов.