Устройство для определения моментов изменения свойств случайного процесса

(19) И 1) 50 4 С 06 Р 15/36 с Ж Ф%й их принятием решения сутствии разладки наличии1 ил. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОтнРытий ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томском государственном университете им, В.В. Куйбышева(56) Авторское свидетельство СССР Ф 881767, кл. С 06 Р 15/36, 1979.Авторское свидетельство СССР В 888133, кл. С 06 Р 15/36, 1980.Авторское свидетельство СССР У 1035612, кл. С 06 Р 15/36, 1981.Авторское свидетельство СССР В 1166149, кл, С 06 Р 7/52, 1983.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТОВ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ СЛУЧАЙНОГОПРОЦЕССА(57) Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано для обнаружения разладкислучайных процессов, Цель изобретения - расширение класса решаемых задач за счет возможности обнаружения разладок, обусловленных изменениемсреднего значения, дисперсии, корреляционной функции. Устройство содержит аналого-цифровой преобразовательгенератор тактовых импульсов, формирователь адресов, блок буферной памяти, два блока памяти, семь сумматоров, шесть регистров памяти, константы, три элемента задержки, триквадратора, пять блоков вычитания,шесть блоков умножения, блок деленияи выходной блок сравнения. Указаннаясовокупность блоков реализует последовательную процедуру обработки наблюдений случайного процесса, являющуюся модификацией мет.да наименьшихквадратов и характеризующаяся тем,что длительности интервалов наблюдения не фиксируются заранее, а определяются моментами превышения установленного порогового уровня накапливаемыми различиями статистическхарактеристик случайного процесса дои после разладки, причем каждый такой интервал наблюдения завершается2159 2 5 0 20 25 30 35 40 45 50 55 процесса. 1 128Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано для определения моментов скачкообразного изменения среднего значения, дисперсии, корреляционных свойств случайного процесса в опознающих устройствах различного назначения, системах управления, линиях связи и технологических линиях.Целью изобретения является расширение класса решаемых задач за счет возможности обнаружения раэладок, обусловленных изменением среднего значения, дисперсии, корреляционной функции процесса.Устройство реализует последовательную процедуру обработки наблюдений случайного процесса, являющуюся модификацией метода наименьших квадратов и характеризующуюся тем, что длительности интервалов наблюдения не фиксируются заранее, а определяются превышением заданного порогового уровня цакапливаемыми различиями статистических характеристик случайного процесса до и после разладки, причем каждый такой интервал наблюдения завершается принятием решения о наличии или отсутствии разладки.Па чертеже изображена структурная схема устройства для определения моментов изменения свойств случайного Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь 1, генератор 2 тактовых импульсов первыц элемент 3 задержки, блок 4 буферной памяти, формирователь 5 адреса, второй блок 6 вычитания, первый накапливающий сумматор 7, первый блок 8 умножения, первый. блок 9 памяти, второй блок 10 памяти, второй блок 11 умножения, второй накапливающий сумматор 12,третий блок 13 вычитания, четвертый блок 14 вычитания, пятый регистр 15 памяти константы, первый квадратор 16, четвертый блок 17 умножения третий регистр 18 памяти константы, третий квадратор 19, шестой блок 20 умножения, пятый блок 21 умножения, второй квадратор 22, шестой регистр 23 памяти константы, третий сумматор 24, четвертый регистр 25 памяти константы, второй сумматор 26, пятый блок 27 вычитания, четвертый накапливающий сумматор 28, первый регистр 29 памяти константы, второй регистр 30 памяти константы, третий элемент 31 задержки, второй элемент 32 задержки, первьй блок 33 вычитания,третий накапливающий сумматор 34, блок35 сравнения, первый сумматор 36,третий блок 37 умножения и блок 38деления,Случайный процесс, поступающий цавход предлагаемого устройства, описывается рекуррентным уравнением порядка р Х,= ш,+ЬХ +Л Х. до момента разладки=О и уравне- нием Х = ш+Х+Х +1,Х., +У 1 0 (1) после момента разладки С =6 . Здесь отсчеты шума , независимы (1 - 0,1,2,), одинаково распределены, имеют известные средние значения ш, и ш соответственно до разладки21 и после разладки, дисперсию б , нулевой третий момент (М. = О) и из 4+1вестцый четвертый момент Ж (Ж= =- М, /6 ), причем вероятностное3+1 щраспределение. произвольно; два набора известных значений параметров,Ь Л и 4 ,4 (О характег ризуют корреляционные свойства случайного процесса соответственно до и после момента разладки; 7 -известный множитель, определяющий изменение уровня шума после момента разладки 6, Х - -ый отсчет случайного процесса.Для обнаружения одной или нескольких раэладок случайного процесса применяется такая модификация метода наименьших квадратов, когда длительность каждого отдельного интервала наблюдения, завершающегося вынесением решения о наличии или отсутствии разладки, не фиксируется заранее, а определяется (последовательно, в ходе наблюдения процесса) величиной, характеризующей различия статистической структуры процесса до и после разладки. Процедура обработки наблюдений (выборочных значений случайного процесса) является последовательной процедурой. Первый порог Н служит для определения либо необходимости проведения еще одного наблюдения (или нескольких наблюдений) случайного процесса, либо достаточности имеющегося числа наблюдений(3) где г. = (а. -Ь. ) а.= ш +М Х 1 Х.1 Н Р 2 р25Ь = щ +1)2,Х 1)с Х , , (4)Н)0 - постоянный порог, определяемый допустимым запаздыванием момента обнаруженияразладки, которое опреде- ЗОляется вероятностью пропуска сигнала Р , и допустимой величиной вероятностиложной тревоги РлтВ момент г; определяется величиналЫ, (3) (Х. -а. )/52 = 1;.,1О 1 (Х-Ь;) 2(1 У),):7 +11-1при превьпдении которой порога 8 т,е, при У .8 , выносится решение1о наличии разладки, в противном случае (при УО ) выносится решение об отсутствии разладки случайного процесса поступившего на вход устройл50 ства.Значения Н и о определяются из следующих соотношений Н тдлх(41 (Х - 1)(11 +1С)С (Н-Б)У 553 12321ДсЯ ТОГО, чтобы пе 1)ейти к этапу ынесения решения с) наличии либо отсутствии разладки случайного процесса,Собственно рещение о наличии разладки случайного процесса выноситсяпри превьппении второго порога О, если второй порог не превышен, выносится решение об отсутствии разладкии переходе к следующему интервалунаблюдения1Момецтьс 1, 1 = 0,1,2 в которые лсожет быть принято решение оразладке, определяются последовательно в процессе наблюдения случайного процесса по следующим соотношениям: ,= О,")9 41 лС)отл УстСэойСствл с)сссс)цлссл Ссл том лчто среднее значение ел)с цсц с из 1.ецяется после рлзллдки цл известУ+1 Нцую величину Н-- , т.е. с (- )1,11 2цо разладки цл Н после рлз.)садки, адисперсия величин У, до разладки непреосходит значения Н балх(41(Х)ф1( 1) +1, л после разладки - зцачеция Н шлх(4 У, (У - 1) (У +1) ) .Н иЗначение величины -- ( у+1) измеу 9нения средцего значения и верхнейграницы дисперсии последовательностиУ )-,(1= 1,2, ) позволяет выбрать1 1такое пороговое зцлчецие О, что превышение величинами У; выбранного таким образом порога О происходит достаточно редко до разладки (это эквивалентно малому числу ложных тревог)и достаточно часто после разладки(это эквивалентно большой вероятностиправильного обнаружения разладки) исследуемого случайного процесса. Такойвыбор порогов Н и о обеспечивает надежное обнаружение одной или нескольких разладок случайного процесса,обусловленных не только изменениемего корреляционных свойств, цо и изменением среднего значения и дисперсии исследуемого случайного процесса,при сохранении быстроты и точностиобнаружения разладок,Устройство работает следующим образом.Непрерывные входные реал)СзлцииХ(г) наблюдаемого случайного процесса поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 1, с информационного выхода которого квацтовлнные повремени и уровню реализации Х- 0,1,2 одновременно подаются напервые информационные входы блоков 6и 13 вычитания, л также на вход элемента 3 задержки. Импульсы с выходасигнализации конца преобразованияаналого-цифрового преобразователя 1поступают на вход генератора 2 тактовых импульсов, тактовьсе импульсы свыхода которого одновременно подаются на тактовые входы накапливающегосумматора 7, блока 4 буферной памяти,накапливающего сумматора 12 и на входформирователя 5 адреса. Сигналы Хзадерживаются элементом 3 задержкина один такт, приобретая вид ХН.0,1,2 и поступают с его выхода на информационны вход б.сцэка 4буферной памяти со ступенчлтьсм дви 1282159.1+113, =ш,+ХХ. Х Х31113 =ш+ 1 1 Х 1++ р,1 1 1.Р- а,жением информации на Р чисел, где последовательно Записываются В Р регистрон, запись осуществляется на каждом такте по тактовым импульсам, поступающим с выхода генератора 2 на тактовый вход блока 4 буферной памяти. По мере поступления сигналов Х10,1,2 в Р регистров блока 4 буферной памяти, эти сигналы подаются с выхода блока 4 на первые входы 10 блоков 8 и 11 умножения, на вторые Информационные входы которых постуПают выходные сигналы соответственно с блоков 9 и 10 памяти, Таким образом, сигнал У в блоке 4 на (3+1)-м 15 такте имеет вид (при чтении слева направо, когда крайний левый регистр всегда содержит старший разрад Х .У1 Х 1 3 = ОУ 1121,1+ 1-РВ каждом из блоков 9 и 10 имеют ся Р регистров, в ячейки которых соответственно записываются следующие ,априорно известные наборы констант, характеризующие параметры корреляционной функции случайного процесса, поступающего на вход устройства соответственно до и после разладки (при чтении слева направо):Х ,Х Хр и " 1 1 Р з11Выходные сигналы 13, формировате 5ля 5 адреса, запускаемого по входу импульсами с выхода генератора 2 тактовых импульсов, являются адресными и поступают на адресные входы блока 4 буферной памяти и блоков 9 и 10 па мяти, После поступления адресных сигналов 13 формируются вь 1 ходные сигналы 13, 13 и 13 , причем сигналы 13 и 13 э перемножаются в блоке 8 умножения, а сигналы 13 и 131 - в блоке 11 ум ножения, После окончания умножений выходные сигналы 13 и 13 указанных блоков умножения поступают на информационные входы соответственно накапливающих сумматоров 7 и 12, в кото рых осуществляется последовательное суммирование на каждом такте, причем в конце каждого такта накапливающие сумматоры 7 и 12 должны быть приведены в исходное состояние, соответству ющее выходным сигналам Б и Б равным известным средним значениям шума 1 до разладки и после разладки,т.е, 13;, = ш 13,д = ш . На (3+1)-м такте сигналы 13, и Б имеют следующий вид: 55 Сигналы 0 = Ь, и 13 = а поступают1 Р 4 на входы блока 14 вычитания и одновременно подаются на вторые входы блоков 6 и 13 вычитания, где вычитаются из текущего значения случайного процесса Х . Выходные сигналы блоков 6, 13 и 14 вычитания в виде 13 = Х. - Ь. 13 = Х - а.11- а. - Ь поступают для перемножени.11самих на себя соответственно на входы квадраторов 16, 22 и 19, сигналыи 1 с выходов которых по даются на первые входы блоков 17, 21, 20 умножения соответственно, В этих блоках, на вторые входы которых по 1 1 1 даются константы - , -- , , -- с1 д э 87 э с выходов соответственно регистров 18 и 15 памяти констант, осуществляется перемножение указанных констант соответственно на сигналы 136, Б 2 и 13, , причем выходные сигналы 13,и Бд имеют следующий вид (на (3 +1)-м такте);(а - Ь, )1 ошСигнал 13 с выхода блока 20 умоножения поступает на первый вход параллельного сумматора 24, где склады(1-)вает я с константой--- пода 1+ 11 1ваемой на второй вход сумматора 24 свыхода регистра 23 памяти константы,в результате формируется выходнойсигнал сумматора 13 являющийся сигналом г иэ соотношения (3),1Сигнал 13 с выхода блока 17 умножения поступает на первый вход блока 27 вычитания, где вычитается иэсигнала 13 поступающего на второйвход блока 27 вычитания с выхода блока 21 умножения, Выходной сигнал 13,блока 27 вычитания подается на первый вход параллельного сумматора 26,2 (1-1")где складывается с константой -----1+ 11подаваемой на его второй вход с выхода регистра 25, в результате формируется выходной сигнал сумматораБ в виде (на (3+1)-м такте)+1 (Х, -а) (Х;-Ь) 2(1-У ) 26 б 2 ,1 г + 1+И 1Сигнал г с выхода сумматора 24 одновременно поступает на вход накап 7 12821 ливающего сумматора 34 и на второй информационный вход блока 38 деления. Сумматор 34 в процессе последовательного суммирования входных сигналов формирует, например, на (1+1)-м так.те сигнал П = Е г. который посту. фпает на первый вход блока 33 вычитания, на второй вход которого подается значение константы Н, хранящейся 10 в регистре 29. С помощью порогового значения Н последовательно формируются интервалы наблюдения, завершающиеся вынесением решения о наличии или отсутствии разладки,Сигнал Б с выхода числа блока 33 вычитания имеет вид Б, = Н - Г г, и после задержки на один такт элементом 32 задержки подается на первый информационный вход блока 38 деления. Незадержанный сигнал Б, с выхода знака блока 33 вычитания подается на входы разрешения работой блока 38 деления, блока 37 умножения, сумматора 36 и сформирован так, что знаку25 "плюс(при Н - Е г.)0) соответствует сигнал О, а знаку "минус" (при Н - Е г, 0) соответствует управляющий сигнал "1", при появлении которого блок 38 деления, блок 37 умножения и сумматор 36 срабатывают.После срабатывания блока 38 деления на его выходе формируется в соответствии с соотношением (5) сигнал П , т.е. сигнал с(в момент=,. 35 Сигнал Б, поступает на первый информационный вход блока 37 умножения, на второй информационный вход которого поступает сигнал Б , с выхода сум матора 26, причем сигнал Б б поступает также на вход сумматора 28. Сигнал П с выхода сумматора 28 через элемент 31 задержки подается на второй информационный вход сумматора 36, на первый информационный вход которого поступает сигнал Б , с информационного выхода блока 37 умножения, Сигнал Б с выхода сумматора 36 в виде сигЭбнала У; из соотношения (5) поступает на первый вход блока 35 сравнения, на второй вход которого подается значение пороговой константы 3 , хранящейся в регистре 30, причем к началу следующего такта сигналом Б б должно быть осуществлено приведение в исходное состояние (сброс) сумматоров 34 и 28, соответствующее нулевым выходным сигналам Б зи Б 8, Сигнал - реис ние И появляется на выходе бл ка 35 сравнения лишь в тот момент, когда сигнал Б, превышает пороговое значение 8, появление сигнала Б, означает принятие предлагаемым устройством решения о наличии разладки случайного процесса, поступающего на еговход.Формула изобретенияУстройство для определения моментов изменения свойств случайного процесса, содержащее аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, генератор тактовых импульсов, четыре накапливающих сумматора, формирователь адреса, четыре блока умножения, два блока памяти, первый блок вычитания, три элемента задержки, блок деления, два регистра памяти константы, два сумматора, блок сравнения, первый квадратор, причт вход аналого-цифрового преобразователя является информационным входом устройства, информационный выход аналого-цифрового преобразователя через первый элемент задержки соединен с информационным входом блока буферной памяти, выход сигнала конца преобразования аналого-цифрового преобразователя соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовыми входами первого и второго накапливающих сумматоров, блока буферной памяти и формирователя адреса, выход которого соединен с адресными входами первого и второго блоков памяти и блока буферной памяти, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков умножения, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго блоков памяти, выходы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с информационными входами первого и второго накапливающих сумматоров, выход третьего накапливающего сумматора соединен с первым входом первого блокавычитания, информационный выход которого через второй элемент задержки соединен с первым информационным входом блока деления, второй информационный вход которого соединен с входом третьего накапливающего сумматора, второй информационный вход первого блока вычитания соединен с выходом первого регистрапамяти константы, выход блока деления соединен с первым информационнымвходом третьего блока умножения, второй информационный вход которого соединен с одноименным входом четвертогонакапливающего сумматора, выход третьего блока умножения соединен с первым информационным входом первогосумматора, второй информационный входкоторого через третий элемент задержки соединен с выходом четвертого накапливающего сумматора, входы разрешения работы первого сумматора, третьего блока умножения и блока делениясоединены с соответствующим выходомпервого блока вычитания, выход первого сумматора соединен с первым информационным входом блока сравнения,второй информационный вход которогосоединен с выходом второго регистрапамяти константы, а выход являетсявыходом устройства, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач за счетвозможности обнаружения разладок,обусловленных изменением среднегозначения, дисперсии, корреляционнойфункции процесса, в устройство введены третий сумматор, с второго попятый блоки вычитания, с третьего пошестой регистры памяти константы, спятого по шестой блоки умножения,второй и третий квадраторы, причемпервые входы второго и третьего блоков вычитания соединены с информационным выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход второгоблока вычитания соединен с первымвходом четвертогоблока вычитания и с выходом первого накапливающего сумматора, второй вход третьего блокавычитания соединен с вторым входомчетвертого блока вычитания и выходомвторого накапливающего сумматора,выход второго блока вычитания соединенс входом первого квадратора, выходкоторого соединен с первым входомчетвертого блока умножения, с вторым 10 входом которого соединен выход третьего регистра памяти константы, выход четвертого блока умножения соединен с первым входом пятого блока вычитания, с вторым входом которогосоединен выход пятого блока умножения, выход пятого блока вычитаниясоединен с первым входом второго сумматора, с вторым входом которого соединен выход четвертого регистра памяти константы, выход второго сумматорасоединен с входами четвертого накапливающего сумматора и третьего блокаумножения, выход третьего блока вычитания соединен с входом второгоквадратора, выход которого соединенс первым входом пятого блока умножения, второй вход которого соединенс первым входом шестого блока умножения и выходом пятого регистра памяти константы, выход четвертого блока вычитания соединен с входом третьего квадратора, выход которого соединен с вторым входом шестого блокаумножения, выход которого соединен с 35 первым входом третьего сумматора, свторым входом которого соединен выход шестого регистра памяти константы, выход третьего сумматора соединен с входом третьего накапливающегосумматора.1282159 Составитель В,ОрлоРедактор И,Шулла Техред М.Ходаиич Корректор Е.Сиро Зака одписное ул. Проектная, 4 роизводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужг 269/49 ВНИИПИ Госу по делам 113035, МоскваТираж 670арственногоизобретенийЖ, Рауш омитета СССР открытий ая наб., д. 4/5