Устройство для прогнозирования случайных процессов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А1 05 В 23/02; С 5 4 ЕНИЯ ИДЕТЕЛЬСТВ ВТОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЬ ОПИСАНИЕ ИЗОБ(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 532104, кл . 0 06 Р 15/46, 1975,2, Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования, М., "Статистика", 1979, с. 90-95(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАЙИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, содержащее три регистра, первый, второй и третий элементы И, перуые, вторые ф и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммирования, кольцевой счетчик, блок памяти, генератор импульсов и элемент НЕ, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени прогноза, в него введены группа квадраторов, второй накапливающий сумматор, делитель и четвертый умножитель, первый вход первого фэлемента И соединен с запускающим входом генератора импульсов и входом устройства, а выход - с информационным входом первого регистра, выходы ко-. торого подключены к первым входам первых и вторых умножителей и к входам квадраторов, выходы первых умножителей соединены с входамипервого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми входами второго и третьего элементов И, выход второго элемента И сое"динен с первым входом блока суммирования, выход третьего элемента Исоединен с информационным входомвторого регистра, выход которогоподключен к второму входу блока суммирования, подсоединенного выходомк первому входу третьего умножителя, второй вход которого соединенс выходом четвертого умножителя, авыход - с вторыми входами вторыхумножителей, выходы которых связаныс информационными входами третьегорегистра, выходами соединенного свторыми входами первых умножителей,выход генератора импульсов соединенсо счетным входом кольцевого счетчика, первый выход которого соединенс входами управления считываниемпервого, второго и третьего регистров, а также с входом блока памятии вторым элементом И, второй выходкольцевого счетчика соединен свходами управления считываниемпервого и третьего регистров и свторым входом третьего элементаИ, а также с входом элемента НЕ,1 выход которого соединен с входом.первого элемента И, выходы квадраторов соединены с входами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входом делителя, выход которого подсоединен к первомувходу четвертого умножителя, второйвход которого соединен с выходом блока памяти.Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования сЛучайных процессов в автоматизированных системах принятия решений, в частности в АСУ или автоматизированных КС УКП промышленных предприятий.Известно устройство для прогнозирования тенденций изменения параметров технологических процессов в автоматизированных системах управления, содержащее блок обегающего контроля, блок управления, функциональный блок, коммутатор, блок памяти, схемы сравнения, блок формирования знака, регистратор, блок вычисления первой средней конечной разности и блок вычисления начального значения функции 1.Недостатками данного устройства являются сложность, большое время вычисления, возможность прогнозирования только стационарных процессОв.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство, содержащее три регистра,три элемента И, элемент НЕ, первые,вторые и третий умножители, накапливающий сумматор, блок суммирования,кольцевой счетчик, блок памяти игЕнератор импульсов 2,Однако известное устройство, реализующее данный алгоритм прогнозирования, предназначено для прогнозирования стационарных случайныхпроцессов и не работает в случаяхкОгда необходимо прогнозировать нестационарные случайные процессы.Процесс настройки коэффициентовв этом случае затягивается или вообще прекращается.Целью изобретения является сокра -щение времени прогноза.Поставленная цель достигаетсятем, что устройство для прогнозирования случайных процессов, содержащее три регистра, первый, второйи третий элементы И, первые,вто-"рые и третий умножители, первый накапливающий сумматор, блок суммиро- .вания, кольцевой счетчик, блок памятй, генератор импульсов и элементНЕ, содержит также группу квадраторов, второй накапливающий сумматор,делитель и четвертый умножитель,первый вход первого элемента И соединен с запускающим входом генерато ра импульсов и входом устройства,а выход - с информационным входомпервого регистра, выходы которогоподключены к первым входам первыхи вторых умножителей и к входамквадраторов, выходы первых умножителей соединены с входами первого накапливающего сумматора, выход которого связан с первыми, входами вто 1 О рого и третьего элементов И, выходвторого элемента И соединен с первым входом блока суммирования, выход третьего элемента И соединен синформационным входом второго ре 11 гистра, выход которого подключен квторому входу блоКа суммирования,подсоединенного выходом к первомувходу третьего умйожителя, второйвход которого соединен с выходом20 четвертого умножителя, а выход -с вторыми входами вторых умножителей, выходы которых связаны с информационными входами третьего регистра, выходами соединенного с вторыми21 входами первых умножителей, выходгенератора импульсов соединен сосчетным входом кольцевого счетчика,первый выход которого соединен свходами управления считыванием первого, второго и третьего регистров,а также с входом блока памяти и вторым элементом И, второй выход кольце,вого счетчика соединен с входамиуправления считыванием первого и третьего регистров и с вторым входом31третьего элемента И, а также с входомэлемента НЕ, выход которого соединен.с входом первого элемента И,выходы квадраторов соединены с вхо 40дами второго накапливающего сумматора, выход которого связан с входомделителя, выход которого подсоединенк первому входу четвертого умножителя, второй вход которого соединенс выходом блока памяти,41Указанные отличительные признакипозволяют проводить прогнозирование .нестационарных случайных процессов.Зто достигается за счет реализацииустройством алгоритма настройки ве 10совых коэффициентов второго порядка(Ньютона-Рафсона), а не градиентного метода как в известном устройстве,На чертеже дана блок-.схема пред 11 лагаемого устройства.Устройство содержит первый элемент И 1, генератор 2 импульсов,кольцевой счетчик 3, первый регистр120288 10 20 25 30 -35 40 45 50 где (3 + 1) 55 3 1 4, первые умножители 5, третий регистр 6 накапливающий сумматор 7, третий элемент И 8, второй регистр 9, блок 10 суммирования, второй элемент И 11, квадраторы 12, накапливающий сумматор 13, делитель 14, умножитель 15, блок 16 памяти, третий умножитель 17, вторые умножители 18, элемент НЕ 19.Устройство работает следующим образом. Выборки выходного случайного процесса Х(3) поступают на входы блоков 1 и 2. С выхода генератора 2 пос ледовательность импульсов поступает на вход счетчика 3, на выходе которого появляется сигнал С . Выборка входного процесса Х(3) проходит на регистр 4, в котором в результате образуется вектор выборок входного сигнала Х(3). Сигнал С поступает на второй вход регистра 4 для считывания Х(3). Информация поступает на первые входы умножителей 5, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода регистра 6, считанные по сигналу С 1. В регистре 6 хранятся значения весовых коэффициентов Р(3), полученные на предыдущем шаге прогнозирования. Сигналы с выходов умножителей 5, соответствующие произведениям ХЫ поступают на входы сумматора 7, на выходе которого формируется выходной сигнал у(3) = ът"(1) Г(3). Сигнал у(3) посту пает на первый вход элемента И 11, на второй вход которого поступает сигнал С 1 со счетчика 3, Одновременно сигнал С 1 поступает на вход регистра 9, в котором записывается значение прогноза у(3),полученное на предыдущем шаге. Информация об истинном значении у(3) с выхода логического элемента И 11 и прогноз у(3), считанный с регистра 9, поступают на два входа блока 10. На выходе сумматора 10 формируется сигнал ошибки прогнозал(1)= У(3) .; У(3), который участву- ет в Формировании весовых коэффициентов прогнозирующего устройства. Одновременно с сигналом ошибки происхорит формирование скаляра 2 К/Х (3)О(3). Сигналы с выходов регистра 4 поступают на входы квадраторов 12, с выходов которых сигналы, соответствующие величинам х,у , поступают на входы накапливающего сумматора 13, на выходе которого Формируется сигнал ", х 1 . Этот1 ъ 1 сигнал, пройдя делитель 4, умножается на коэффициент 2 К, находящийся в блоке 16 памяти и списанный оттуда сигналом С 1, в умножителе 15,На выходе умножителя 5 получается сигнал 2 К 1) Х (1), который поступает на один вход умножителя 7, на второй вход которого поступает сигнал ошибки Е (1) с выхода сумматора 10. Сигнал с выхода умножителя 17 поступает на вторые входы умножителей 18, на первые входы которых поступают сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора Х (1). На выходах умножителей 8 формируются составляющие вектора ЬВ (3 + 1). В регистре 6 формируется весовой вектор И( + 1), В это время по сигналу С 2 запирает элемент И 1, открывает элемент И 8. Сигнал С поступает на входы регистров 4 и 6 Начинается формирование прогноза у(3 + 1) . Сигналы с выходов регистра 4, соответствующие компонентам вектора Х , и сигналы с выходов регистра 6, соответствующие компонентам весового вектора М+ 1), умножаются в умножителях 5 и поступают на входы накапливающего сумматора 7, на выходе которого получается прогноз величины лу(3 + 1) на следующий шаг адаптации. Этот сигнал проходит через открытый элемент И 8 на вход регистра 9, в который и записывается, вытесняя из него предыдущее значение прогноза лу(3). После этого сбрасывается счетчик 3. На вход устройства поступает следующая выборка входного сигнала. Цикл повторяется.В известном устройстве реализует-, ся алгоритм самонастройки весовых коэффициентов по методу наискорейшего спуска вида ф 1 ф " ф(1)1(Ч 7 вектор весовых коэффициентов, определяемых на ( + 1)-м шаге адаптации ф параметр шага адап- тацииф%Я)1 - градиент случайнойфункции ф .е О 1 СЯ.УЙЯ, (3)- Замена градиента усредненнойфункции МГ 1)1 случайной производится по той причине, что приходится осуществлять прогноз по единичным реализациям случайных процес 4сов.В предлагаемом устройстве корректировка весов осуществляется по методу Ньютона-РафсонаЧ 3 ф 11 =ф 131 ф 1 сН 3 ЪЕ фД)югде Н(1) " матрица вторых частныхпроизводных случайнойФункцииНЭ Хйх(1), (ЦМатрица Н(1) есть симметрическая, вырожденная матрица. Поэтому выражение Н (1) не существует и необходимо псевдообращение где 1 Н1 -" Х (1) Х (след матрицыН(1),Подстановка (5) в (1) с учетомтого, что Ч Е": 26(1)Х (1) пает 5 алгоритм Ньютона-Рафсона для корректировки весов прогнозирующего устройства5111 ЪС)+ХЯХ 1 И "(1 Из выражения (б) следует, чтонезначительное усложнение устройства, реализующего алгоритм (1), приводит к возможности использованияалгоритма Ньютона.-Рафсона. А это,в свою очередь, позволяет прогнозировать нестационарные случайныепроцессы, так как увеличивает скорость сходимости вектора весовыхкоэфФициентов к оптимальному значению,Результаты моделирования на ЭВМпоказывают, что быстродействиепредлагаемого устройства по сравнению с известным устройством повышается примерно на 25-307 (в зависимости от типа прогнозируемого процесса).1120288Составитель С. Демиденкодактор Г. Волкова Техред Л.Микеш Корректор А. ТяЗаказ 7739/34 Тираж 841 ПодписяВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д . 4/5Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,ал