Сплайн-аппроксиматор

(71) Государственнектированию и исслтам в нефтяной проровостокнефть"У 35ый институт по проедовательским рабомышленности "Гип)идетельство СССР 6 а 7/26, 1984. тельство СССР6 О 7/26,к автомае, Цель оксимаест прокс ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОРЛИНОМУ СВИДЕтеЛьсТВ(57) Изобретение относитсятике и вычислительной технизобретения - упрощение аптора за счет сокращения колкоммутирующих элементов Ап матор содержит аналого-цифровой преобразователь 2, два регистра сдвига3 и 12, генератор 4 тактСвых импульсов, цифровые фильтры 5, накопительб, цифроаналоговые преобразователи13 и 14, ключ 15, два функциональных преобразователя 17 и 18, выполненные на интеграторах, две группы21 и 22 ключей, сумматор 25 и блок26 управления. Принцип действия аппроксиматора основан на сжатии входной информации методом адаптивнойдискретизации. Реализация режима работы, при котором второй функциональный преобразователь осуществляет накаждом участке дискретизации коррекцию выходной величины первого функционального преобразователя, позволит упростить коммутацию устройстваи тем самым повысить надежность егоработы. 4 ил,Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике к можетбыть использовано при создании банков данных. 5Цель изобретения - упрощениесплайн-аппроксиматора за счет сокращения количества коммутирующих элементов.На Фиг. 1 приведена структурная 10схема сплайн-аппроксиматора, нафиг. 2 - Функциональная схема блокауправления, на Фиг. 3 - диаграммыпроцессов, поясняющие работу сплайнаппроксиматора, на Фиг, 4 - схеманакопителя.Сплайн-аппроксиматор содержит инФормационный вход 1, аналого-цифровой преобр,"зователь (АЦП) 2 первый регистр 3 сдвига, генератор 4 20тактовых импульсов, группу цифровыхФильтров 5, накопитель 6, содержащий вход 7 номера отсчета исходныхординат, входы 8 записи начальныхусловий, вход 9 записи граничных про изводных, вход 10 разрешения записиграничных производных вход 11 разрешения записи начальных условий, второй регистр 12 сдвига, первый и(и + 1)-й . ЦАП 14, ключ 15, блок16 памяти, первый 17 и второй 18функциональные преобразователи, выполненные на интеграторах 19 и 20,первую 21 и вторую 22 группы ключейс сигнальными входами 23 и 24 соответственно, сумматор 25, блок 26управления содержащий входы 27 и28 первого и второго сравниваемыхсигналов, импульсный вход 29 к спервого по четвертый выходы 30-33,а также выход 34,Блок 26 управления (Фиг. 2) выполнен на счетчике 35, элементе 36сравнения, элементе 37 задержки, ком-:параторе 38 триггере 39 элементеИ 40 и элементе ИЛИ 41.,Накопитель 6 (Фиг. 4) содержитпараллельный регистр 42 ,четчик 43и регистры 44 и 45 сдвига,Блок 26 управления (Фиг. 2) предназначен для формирования управляющих воздействий в моменты возникновения существенных координат и пркзаписи начальных условий на первомучастке аппроксимации измеряемогопроцесса. На вход 29 блока поступаютимпульсы от генератора 4, которые подсчитываются счетчиком 35, а через элемент 37 задержки поступают на управляющий вход компаратора 38. Результат счета импульсов подается на выход 30 блока и на один из входов элемента 36 сравнения, При поступлении 2 п-го (при и нечетном) или (2 +1)-го (при и четном) импульса (считая с начала работы) элемент сравнения Формирует короткий импульс, который проходит на выход 31 блока, а через элемент ИЛИ 41 на выход 33, а также переводит триггер 39 в единичное состояние, разрешая прохождение сигналов через элемент И 40.На входы 27 и 28 блока управления поступают соответственно истинное и аппроксимированное значения измеряемого процесса, которые в конце каждого участка дискретизации сравниваются компаратором 38. При появлении рассогласования вьппеустановленного уровня с небольшой задержкой, необходимой для окончательного установления входных значений на границах участков дискретизации, компаратор Формирует импульс, который через элемент И 40 проходит на выход 32, а через элемент ИЛИ 41 - на выход 33 блока управления.Аппроксиматор осуществляет кусочно-полиномиальную и-й степени (сплайновую) аппроксимацию Я(х) измеряемого процесса Гх) и выделяет из не(ь) го существенные координаты х, Я3 1 ъ по которым впоследствии можно восстановить исходный процесс, т,е. производит сжатие информации. Аппроксимированный исходный процесс полностью поступают на выход 34 аппроксиматора, а существенные координаты (сжатая информация) запоминаются в накопителе б.В исходном состояний ключ 15 и группы 21 и 22 ключей разомкнуты.При подаче питания начинает работать генера.тор 4, частота которого выбирается из условия обеспечения заданной точности аппроксимации для участков, где измеряемый процесс изменяется наиболее быстро.Под действием управляющих импульсов АЦП 2 осуществляет дискретизацию измеряемого процесса Г(х), поступающего ка вход 1 аппроксиматора (Фиг. За), Дискретные значения последовательно заполняют ячейки регистра 3.3 142572Выходы регистра 3 соединены с входами цифровых фильтров 5, на выхолах которых формируются первые и про. изводных измеряемого процесса на каж. дом участке дискретизации. После поступления в регистр 3 2 п-го (при п нечетном) или (2 п+1)- (при и четном) дискретного значения, т.е. после полного его заполнения, на выходах 31 и 1 О 33 блока 26 управления появляется импульс. В результате кратковременно замыкаются все ключи групп 21 и 22 и ключ 15, и на всех интеграторах 19 и 20 функциональных преобразователей, 15 17 и 18 устанавливаются начальные условия, необходимые для аппроксимации первого участка измеряемого процесса. Начальными условиями для интеграторов второго Функционального преобразова теля 18 являются значения 1 - (и)-й производных в начальной точке этого участка, формируемые 1 - (и)-м цифровыми фильтрами 5, и значение процесса в этой же точке, которое поступает 25 на интегратор через цифроаналоговый преобразователь 14. На интеграторы первого функционального преобразователя 17 при замыкании ключей. 21 подаются нулевые начальные условия.доЧерез ключ 15 на вход блока 16 памяти поступает значение и-й производной Г. в начальной точке пер(и)вого участка аппроксимации, которое сохраняется в этом блоке и после размыкания ключа 15, Импульс с выхода 31 блока управления поступает на .вход 11 накопителя 6, разрешая запись начальных условий в его регистр через вход 8. Запоминание 4 О начальных условий первого участка аппроксимации необходимо для точного восстановления исходного процесса.С выхода блока 16 памяти на вход второго функционального преобразователя 18 поступает и-я производная Г, исходного процесса (Фиг.3 б), иОЯЧи .он йачинает аппроксимировать первый участок. Результат аппроксимации Я(х) подается на один из входов сумматора и на второй вход 28 блока управления, На оба входа первого функционального преобразователя в начале первого участка поступает одна и та же величина - и-я произ(в),водная 1 . на один вход с выхода и-го ЦАП, а на другой с выхода блока 16 памяти, Первый интегратор 19 суммирует эти величины с разными энаками, так что на первом участке навход первого функционального преобразователя поступает нуль. Посколь-.ку на него были поданы нулевые начальные условия, то в течение первого участка аппроксимации на выходепервого преобразователя функция Я х)также равна нулю, Таким образом, результат аппроксимации первого участка, поступающий на выход 34 с сумчйтора 25, формируется вторым функциональным преобразователем, т.е.Я(х) = Я(х) . Поскольку частота дискретизации выбирается иэ условия достаточно точной аппроксимации одногоучастка, расхождение между точными аппроксимированным значениями процесса не превышает установленногоуровня. Поэтому в конце первого участка на выходах 32 и 33 блока управления импульсы не появляются, так чтоключи в этот момент не замыкаются;а содержимое второй (считая от входа)ячейки регистра 12, где хранится существенная координата, не поступаетв накопитель 6,При поступлении от генератора 4(2 п+1)-го импульса (при и нечетном)заканчивается первый и начинаетсявторой участок аппроксимации. В этотмомент в регистр 3 от АЦП 2 поступает (2 п+1)-е значение измеряемого процесса, которое заполняет первую ячейку, а бывшее содержимое всехостальных ячеек перемещается на одну позицию в направлении выхода. Навыходе и-го цифрового Фильтра 5 формируется значение п-й производнойвторого участка, которое через п-йЦАП 13 поступает на прямой вход первого функционального преобразователя,на другом входе которого находитсязапомненная блоком 16 и-я производная первого участка. В результатеэтого выходная Функция первого преобразователя Я(х) дополняет . выходную функцию второго преобразователя, так что на выходе сумматора получается точное (в пределах погрешности аппроксимации) аппроксимированное значение измеряемого процесса на втором участке.В то же время Функция Я(х) навыходе второго преобразователя 18 неточно соответствует измеряемому про-цессу на втором участке, так как наего вход поступает п-я производнаяпервого участка запомненная блоком65 16. Однако, если рассогласование между точным значением измеряемого процесса Г(х ) и выходной функцией второго преобразователя Я (х) к концу второго участка не превышает установленного уровня, то блок 26 управления в этот момент не формирует импульсных сигналов. В этом случае и третий участок аппроксимации, на О чинающийся при поступлении (2 п+2)-го тактового импульса, не изменяет входную величину второго преобразователя 18 (это будет та же и-я производная первого участка), Поскольку входной 15 величиной Г; первого преобразователя17 на этом участке является разность между п-ми производными третьего и первого участков, то выходная его функция Я(х) дополняется до точно го аппроксимированного значения выходную функцию второго преобразователя на третьем участке. Таким образом для любого участка аппроксимации выходная функция первого пре образователя долняет до точного аппроксимированного значения выходную функцию второго преобразователя, который воспроизводит измеряемый процесс по запомненной ранее (несколь ко участков назад) п-й производной.В момент поступления от генератора 4 (2 п+Х)-го импульса К ).2), ког- да заканчивается К-й и начинается (К+)-й участок аппроксимации, рассогласование между точным значением процесса на границе этих участков и результатом его аппроксимации вторым функциональным преобразователем может превысить установленный уровень. Это вызывает следующие изме - нения состояния. С небольшой задержкой после поступления К-го импульса генератора 4 на выходах 32 и 33 блока 45 управлЕния появляются короткие импульсы. Импульс с выхода 32 поступает на вход 10 накопителя 6, разрешая запись в его регистры 44 и 45 номера такта х(по входу 7), на ко тором произошло рассогласование, и существенной координаты " " (хц) (по входу 9). Существенной координатой является и-я производная исходного процесса, сформированная в начале того участка аппроксимации, на котором произошло рассогласова.- ние, т.е. К-го участка, Она поступает в накопитель 6 из выходной ячей 29 6ки регистра 12, Во входной ячейкеэтого регистра в это время находится и-я производная (К+1)-го участка.Импульс с выхода 33 блока управления производит кратковременное замыкание ключа 15 и всех ключей групп21 и 22, В результате этого в блок16 записывается п-я производная(К+1)-го участка, а на всех интеграторах обоих функциональных преобразователей устанавливаются новые начальные условия: на интеграторах первогопреобразователя нулевые, а на интеграторах второго преобразователя истинные значения О -(и)-й производных (К+1)-го участка аппроксимации, На вход второго преобразователя18 с блока 16 поступает п-я производная этого участка, и он начинаетаппроксимировать с точными значениями всех производных, Результирующейвеличиной на входе первого преобразователя в это время является нуль,так как на его плюсовый и минусовыйвходы поступает одна и та же величина (и-я производная (К+1)-го участка).Поэтому с учетом нулевых начальныхусловий и выход первого преобразователя Я,х) на этом участке равен ну -лю, а результат . аппроксимации исходного процесса при этом определяется только вторым преобразователем,Таким образом, в момент появлениярассогласования начинается очереднойцикл работы устройства, который продолжается до следующего рассогласования,При появлении рассогласования выходные функции обоих преобразователейизменяются скачкообразно, так какони начинают свою работу с новыми начальными условиями. Однако результирующая функция Я(х) на выходе сумматора 25 не имеет скачков, посколькудо появления рассогласования эта функция точно аппроксимировала исходныйпроцесс, а в момент появления рассогласования она также равна исходномупроцессу за счет установки точныхначальных условий на втором преобразователе и нулевых на первом, Поэтому одновременно с запоминанием в накопителе 6 существенных координатна выходе 34 получают кусочно-непрерывную (сплайновую) аппроксимациюисходного процесса.Технико-экономическая эффективность изобретения заключается вуменьшении количества коммутирующих элементов (ключей), что повышает на дежность работы сплайн-аппроксиматора и уменьшает шумы, возникающие5 при размыкании ключей.Формула изобретенияСплайн-аппроксиматор, содержащий генератор тактовых импульсов, выход 10 которого подключен к входам управления сдвигом первого и второго регистров сдвига, импульсному входу блока управления и синхронизирующему входу аналого-цифрового преобра зователя, соединенного инфоомационным входом с входом сплайн-аппроксиматора, а выходом - с информационным входом первого регистра сдвига, выходы кодов х-х отсчетов (1(п, 20 где и - степень сплайна) ординат аппроксимируемого входного сигнала которого подключены к -м кодовым входам п цифровых фильтров, каждый из которых соединен выходом с вхо дом соответствующего цифроаналогогвого преобразователя, накопитель, подключенный первым входом записи начальных условий к выходу кода одного из промежуточных отсчетов орди- ЗО нат аппроксимируемого сигнала первого регистра сдвига и входу (и+1)-го цифроаналогового преобразователя, остальными входами записи начальных условий - к выходам цифровых фильт 35 ров, входом записи граничных производных - к выходу второго регистра сдвига, входом номера отсчета исходных ординат - к первому выходу блока управления, входом разрешения за О писи начальных условий - к второму выходу блока управления, а входом разрешения записи граничных производных - к третьему выходу блока управления соединенного четвертым вы ходом с управляющим входом ключа,подключенного сигнальным входом квыходу п-го цифроаналогового преобразователя, а выходом - к входублока памяти, первый функциональный преобразователь, входы начальныхусловий которого соединены с выходами ключей первой группы, и второйфункциональный преобразователь,подключенный входами начальных условийк выходам ключей второй группы, каждый -й (Ыи) из которых соединен сигнальным входом с выходом(п-,=го цифроаналогового преобраэователя, а сигнальный вход п-го ключа соединен с выходом (г,+1)-го цифроаналогового преобразователя и входомпервого сравниваемого сигнала блокауправления, причем информационныйвход второго регистра сдвига подключен к выходу и-го цифровогофильтра, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью упрощения сплайн-аппроксиматора за счет сокращения количества коммутирующих элементов, он содержит сумматор, соединенный выходом свыходом сплайн-аппроксиматора, первымвходом - с выходом первого функционального преобразователя, а вторым вы,ходом - с выходом второго функционального преобразователя и входом второгосравниваемого сигнала блока управления, четвертый выход которого подключен к управляющим входам ключей первой и второй групп, при этом сигнальные входы ключей первой группы соединены с шиной нулевого потенциала,а выход и-го цифроаналогового преобразователя подключен к прямому сигнальному входу первого функционального преобразователя, соединенного инверсным сигнальным входом с выходомблока памяти и сигнальным входом второго фунКционального преобразователя.1425729 ставитель С. Казинов Техред Л.Олийнык И. Муска Корре едактор В, Петраш ое Заказ 477 ственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная рои Тираж 704 ВПИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Рауш