Устройство для определения характеристик случайных процессов

(22) Заявлено 16. 07. 80 (21) 2961933/18-2 чс присоединением заявки М(5 )М. Кд,С 06 С 7/52 3 Ьеударстюай кветвт СССР ае делан изобретений н открытки(53) УДК 681, .333(088.8) Дата опубликования описания 18,12,82 А.А. Ромаще в" Ордена Ленина институт проблем управления( 5 Ь ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЬЗХ ПРОЦЕССОВ1Изобретение относится к измерительной технике, автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в аппаратуре для определения характеристик случайных процессов, устройствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медико-биологической информации, системах, первичной обработки данных, 10По основному авт. св, У 926686 известно устройство для определения ха"рактеристик случайных процессов, используемое в аппаратуре для оперативного (в реальном масштабе времени) анализа случайных процессов, устрой-. ствах выделения полезного сигнала на фоне помех, приборах для обработки медико-биологической информации, сис" темах первичной обработки данных 20 и т.д содержащее центрирующий Фильтр, вход которого является входом уст-, ройства, а выход соединен с первыми входами измерителя среднеквадратичного отклонения и управляемого двухпорогового элемента, переключатель и источник постоянного напряжения, выходкоторого соединен с первым входом переключателя, второй вход которогоподключен к выходу измерителя среднеквадратического отклонения. Второйвход измерителя среднеквадратического отклонения обьединен со вторымвходом центрирующего фильтра и подключен к выходу двухпорогового управляемого элемента, второй вход которого соединен с выходом переключате"ля. Это устройство способно,в реальном масштабе времени подавлять импульсные помехи, налагающиеся на стационарные, либо слабо нестационарныепо математическому ожиданию (среднему значению) и дисперсии случайныепроцессы. В случае наличия существенной нестационарности, например возможности резкого (скачкообразного)измерения математического ожидания,устройство переходит в режим памяти, 3 ф 98202,причем на его выходах фиксируютсяте значения математического ожидания (МО) и среднеквадратицеского отклонения (СКО), которые имели местодо момента возникновения скачка МО.Это происходит из-за того, что устройство воспринимает скачок ИО какимпульсную помеху, имеющую неопределенно большую длительность1).Целью предлагаемого изобретения Оявляется повышение точности получения оценок при быстроизменяющихсясреднем и среднеквадратическом отклонениях, цто дает возможность получать практически несмещенные оценки Иматематического ожидания и среднеквадратическогоотклонения основного("незагрязненного") случайного процесса с существенно нестационарным ИО наФоне практически любых импульсных помех.Поставленная цель достигается тем,что в устройство дополнительно введены преобразователь время-напряжениеи пороговый элемент, выход которогосоединен с вторым управляющим входомцентрирующего Фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпоро- Звгового элемента,На фиг, 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства;на Фиг. 2 - пример технической реализации центрирующего фильтра с дополни- ЗЗтельным управляющим входом; на Фиг.3 "временные диаграммы работы устройва.Устройство (Фиг, 1) содержит центрирующий фильтр 1, измеритель 2 среднеквадратического отклонения, управляемый двухпороговый элемент 3, переклюцатель 4, источник 5 постоянногонапряжения, преобразователь время- .напряжение б и пороговый элемент 7, юзВыход 8 фильтра 1 центрированногоозначения х входного процесса х соединен с информационным входом 9 измерителя 2 СКО и информационным входом 10,управляемого двухпорогового элемен"та 3, выход которого соединен с управляющими входами 11 Фильтра 1 и 12измерителя 2. Управляющий вход 13элемента 3 соединен с выходом 14 переключателя 4, первый вход 1 которо- фго подключен к источнику 5, а второйвход 16 - к выходу измерителя 2. Вход1 преобразователя 6 соединен с выхо 4дом элемента 3, выход - со входом порогового элемента , выход которого подключен к управляющему входу 18 фильтра 1.Центрирующий фильтр 1 и измеритель СКО 2 построены на основе усреднителей с памятью. Усреднитель с памятью имеет второй (управляющий) двоичный вход, в зависимости от состояния ко-, торого усреднитель может работать либо в режиме усреднения, либо в режиме памяти, Единичное значение сигнала на управляющем входе соответствует режиму усреднения, а нулевое - режиму памяти. Вход 11 центрирующего фильтра 1 вход 12 измерителя 2 . (Фиг. 1) являются управляющими входами соответствующих усреднителей, входящих в их состав.На Фиг. 2 приведен пример реализации центрирующего фильтрас первым (информационным) Входом хр вторым 11 и третьим (дополнительным) 18 управляющими двоичными входами. Интегрирующая цепочка (резистор 19 и конденсатор 20) с управляемым ключом 21 на входе и повторителем на операционном усилителе 22 на выходе образует усреднитель с памятью, Ключ 21 и резистор 19 эашунтированы последовательно соединенными резистором 23 и ключом 24 с управляющим двоичным входом 18, Нормальное состояние ключа 24 - разомкнутое. Постоянная времени Т цепи резистор 23 - конденсатор 20 равна Т = й Со, При замкну 1том ключе 21 на выходе 25 усилителя 22 образуется экспоненциально сглаженный входной сигнал, дающий оценку п 1 ИО входного процесса х, При этом постоянная сглаживания Т = Вщ С 2 офНа выходе усилителя 26 образуетсяоцентрированный процесс х. Постоянная времени Т и Т 2 выбираются из условияТ с1 1- Т (1)вакс мингде Г иии - верхняя и нижняямоксграницные частоты спектра входного сигнала х. В этом случае очевидно при замыкании ключа 24 независимо от состояния ключа 21 напряжение на конденсаторе 20 и на выходе 25 усилите, 3 ля 22 быстро отслеживает изменения входного сигнала, в том числе и скачки МО х, Работу усреднителя при замкнутом ключе 24 можно назвать режимом слежения.5 9820При переходе усреднителя из режима усреднения или слежения в режимпамяти .ключи 21 и 21 размыкаются ина выходе усреднителя запоминается тозначение выходного параметра, кото- Врое имело место в момент прихода команды "Запоминание", После поступления команды "Усреднение." ключ 21 замыкается и начинается обычная работаусреднителя при начальном условии, 1 грсоответствующем величине, запомненнойна усреднителе.Управляемый двухпороговый элемент 3(фиг. 1) имеет информационный вход 10,управляющий вход 13 и двоичный выходр.Икоторый принимает единичное значение,еслиОоКОге., и нулевое, еслиОйдо 7 Щ, где О,о и 0 - соответственно напряжения на информационном 10 и управляющем 13 входах элемента 3; К - константа.Преобразователь 6 имеет двоичныйуправляющий вход 17. При единичномзначении входного управляющего сигнала выходное напряжение преобразователя 6 равно нулю. В момент переходауправляющего сигнала от единичного кнулевому значению выходное напряжениепреобразователя 6 начинает нарастатьпо линейному закону, Следовательно, ЗЕвеличина напряжения пропорциональнавремени, прошедшему с момента приходанулевого значения управляющего сигнала, В момент появления единичногоуправляющего сигнала выходной сигналпреобразователя 6 возвращается в исходное (нулевое) состояние,Пороговый элемент 7 имеет релейнуюхарактеристику,поэтому, если напря"жение на его входе, подаваемое с пре. 4 вобразователя 6 меньше порогового значения О Р, то выходной двоичный сигпОррнал равей нулю, если напряжение навходе порогового элемента 7 большеО г то выходной сигнал равен единиупоРце. Таким образом, 0,Р определяетотрезок времени ЬТе между моментомприхода нулевого сигнала на вход преобразователя 6 и моментом переходапорогового элемента 7 в единичное со-стояние. При появлении скачка ИО входного процесса х неравенство (2) также нарушается, Принять решение о том, что произошел скачок можно на основе априорной информации о максимальной длительности Т отдельного выбромакеса. Если интервал времени 1 , 1 + ьТ, в течение которого нарушается нера,венство, больше Токс, т.е.ьТЪТАок, то с вероятностью, близкой к единице, произошел скачок ИО. В этом случае для быстрого отслеживания скачка ИО следует произвести в момент времени С + Тас установку .в усреднителе, входящем в состав центрирующего фильтОра 1, нового начального условия, соответствующего новому значению ИО. Это можно осуществить путем подачи единичного сигнала на управляющий вход 18 фильтра 1 (фиг. 1 и 2) в момент времени й, + Т,а , Указанная процедура реалйзуется автоматически с помощью преобразователя 6 и порогового элемента 7. Пороговое напряжение О элемента 7 выбирается пропорциоПОР1нальным Т кс. В момент нарушения не,равенства 72) срабатывает ввенент 3, запускающий преобразователь 6 и переводящий усреднители центрирующего фильтра 1 и измерителя СКО в режим памяти. Если время аТ нарушения неравенства (2) меньше Т , то элемокс мент 3 возвращается в йсходное состояние раньше, чем срабатывает поПредлагаемое устройство (фиг, 1) работает следующим образом.Переключатель Ме служащий для раз; деления времени Т грубого (начального) определения оценок среднего значения и и СКО б входного процес% Мса х и времени Т основного анализа,21 6в начале работы устройства замыкает контакты 11 и 15 и остается в этом состоянии в течение времени Тгр . При этом на управляющий вход 13 элемента 3 поступает максимальное значениебщок от источника 5, а на информационный вход 1 О - центрированный случайный процесс с выхода 8 центрирующего фильтра 1. Если значение модуля центрированного входного процесса удовлетворяет условию1 х КО.О (2) то на выходе элемента 3 удерживается логическая единица и центрирующий фильтр 1 и измеритель 2 работают в режиме анализа. При появлении выброса во входном процессе условие (2) нарушается, на выходе элемента 3 появляется нулевой сигнал и усреднители, входящие в состав фильтра 1 и измерителя 2, переводятся в режим памяти на время действия помехи, По окончании действия помехи усреднитепи переходят в режим усреднения.7 98202 роговый элемент 7, и устройство, как это и требуется, воспримет кратковременное резкое изменение входного сигнала как импульсную помеху, исключив ее из анализа. Если же АТЬТ , то 5 сработает элемент 7 и подаст сигнал слежения на управляющий вход 18 фильтра 1. В результате на выходе усреднителя, входящего в состав ЦФ 1, ус" тановится величина, соответствующая 10 новому значению МО процесса х, элемент 3 перейдет в исходное состояние (единичное) и устройство начнет процесс вычисления оценок ау и 13 Х доМ тех пор, пока не. появится следующая 15 импульсная помеха или новый скачок МО процесса х. При етом повторятся описанные процедуры. Важно подчеркнуть, что время запаздывания Т и скачка оценки а х по отношению к реальному 20 скачку МО входного процесса х равно примерно Т т.е. величина запаздывания практически не зависит от параметров устройства, а определяется априорной информацией о макси мальной длительности помехи Т В известных устройствах реакция на скачок МО обычно носит экспоненциальный (плавный) характер и время запаздывания Тможет быть оценено З 0 выражением Г - 3 Т , где Тр - зквиМЕ Фвалентная величина постоянной сглазживания усреднителя. Совершенно очевидно, что Т, я 7 Т . При этом в течение времейи ТЬЕР = 3 Тсрпереход- З 5 ного процесса оценки в иб-М (в осоХбенности оценки 6) получаются на-.Хстолько смещенными, что использование их теряет смысл. Предлагаемое устройство полностью лишено Этого 40 недостатка. Когда время Т г грубого определения оценок вХ и завершается, пеФреключатель 1 замйкает контакты 14 и 16, на управляющий вход 13 элемента 3 начинает поступать текущая оценка СКО О и в течение времени Тд.Мосновного анализа устройство работает согласно решающему правилу 50х Кбф, (3) т.е, устройство адаптируется к конкретной реализации процесса. Можно 8показать, что для оптимальной работы устройства следует выбирать К 3.Заметим, что реализованный способ отслеживания скачков МО может быть обобщен на случайные процессы с существенно нестационарными дисперсиями и центральными моментами более высоких порядков.Динамика работы устройства иллюстрируется на фиг. 3, где на графике а. показан входной случайный процесс с импульсными помехами (Р в ) и скачками (В 1 и В ), на графиках б и 6 соответственно - текущие оценки в(1) и(1), Во время действия помех (интервалы ДС.1 - ь ) устройство находится в режиме запоминания, а при возникновении скачков МО устройство отслеживает их с запаздыванием ьТ = ЬТ = ЬтмоКс гдедтм с макси мально возможная длительность импульсных помех.Технико-зкономический эффект достигается за счет предельного уменьшения времени запаздывания и/или величины смещения оценок среднего значения и СКО существенно нестационарных случайных процессов на фоне импульсных помех.Формула изобретенияУстройство для определения характеристик случайных процессов поавт.св,У 926686, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности получения оценок при быстроизменяющихся среднем и среднеквадратическом отклонениях процесса, в устройство введены преобразователь время-напряжение и пороговый элемент,выход которого соединен с вторым управляющим входом центрирующего фильтра, а вход подключен к выходу преобразователя время-напряжение, вход которого соединен с выходом управляемого двухпорогового элемента,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЮ 926686, кл. С О 6 С 7 Л 2, 1982982021 ставитель В. Жовинскийхред А,Бабинец Корректор М.Кос Петрова едак Заказ 9711/7 Проектная фили Тираж 731ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и отк3035, Москва, К, Раушская ППП "Патент", г. Ужгород одписноета СССРтийаб д. М 5