Имитатор случайных процессов

Союз Советскик Социалистических РеслубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ нн 796881(22) Заявлено 28,06. 76 (21) 2378262/18-24с присоединением заявки Мо -(51)М. Кл з 6 07 С 15/09С 06 Г 1/02 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 15. 01, 81 Э. А. Баканович, М. А, Орлов, С. Ф. Костюк и В. ПШмерко(71) Заявитель Минский радиотехнический институт(54) ИМИТАТОР СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ Изобретение относится к вычислительной управлякщей технике и предназначено для воспроизведения непре рывных случайных процессов с управляемыми функцией распределения мгновенных значений и спектральной плотностью мощности, Изобретение может быть использовано для построения моделирующих устройств и особенно эффективно при использовании в качестве имитатора случайных воздействий при вибрационных и ударных испытаниях на электродинамических стендах.Известен имитатор случайных процессов, содержащий сумматор, усилители и фильтры, обуславливающие сложность настройки имитатора 1,Наиболее близким техническим решением к данному является имитатор случайных процессов, содержащий источник эталонных напряжений, последовательно соединенные первый и второй преобразователи "код - напряжение" и модулятор полярности, выход которого соедйнен с выходом имитатора, счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом первого генератора импульсов, последовательно соединенные второй генератор им,пульсов, первый делитель частоты и первый реверсивный счетчик, выход которого соединен с управляющим вхо-. дом второго преобразователя "код-напряжение", первый регистр, выход которого подключен к управляющим входам первого преобразователя "код-напряжение" и модулятора полярности, второй регистр, выход которого подключен к управляющему входу первого де". лителя частоты, датчик случайных чисел, вход которого соединен с выходом блока памяти, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блока памяти, датчика случайных чисел, счетчика импульсов, первого реверсивного счетчика, первого и второго регистров соответственно 2 и 3 .Недостаток генератора,в том, что он позволяет получать ограниченный класс спектральных плотностей случайных процессов.Цель изобретения - расширение области применения имитатора.Для достижения поставленной цели имитатор содержит последовательно включенные между входом имитатора и входом блока памяти статистический анализатор и блок сравнения, после 79688155 довательно соединенные третий генератор импульсов, второй делитель частоты, второй реверсивный счетчик и функциональный преобразователь, последовательно включенные между выходом источника эталонных напряжений и входом первого преобразователя "код-напряжение", третий и четвертый преобразователи "код-напряжение", управляющий вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, третий регистр, выход которого подключен к управляющему входу третьего преобразователя "код-напряжение"., а вход - к соответствующему выходу блока управления, четвертый регистр, выход которого подключен к управляющему входу второго делителя частоты, а вход - к соответствующему выходу блока управления, другой выход которого соединен с управляющим входом второго реверсивного счетчика, другой выход которого соединен с информационным входом модулятора полярности, выход датчика случайных чисел соединен с установочными входами всех регистров и счетчиком импульсовНа фиг.1 приведена блок-схема имитатора:на фиг.2 - спектральная плотность мощности для случайного процесса, представляющего собой последовательность разнополярных им-. пульсов треугольной равнобедренной формы со случайными параметрами; на фиг.3 - спектральная плотность мощностй типового импульса треугольной формы; на фиг.4 - аппроксимация произвольной спектральной плотности мощности суперпозицией спектральных плотностей мощности для треугольного импульса.Имитатор содержит блок 1 памяти, датчик 2 случайных чисел, блок 3 управления, первый генератор 4 импульсов, счетчик 5 импульсов, ис- точник б эталонных напряжений, первый 7 и второй 8 преобразователи "код-напряжение" модулятор 9 поляр-. ности, первый регистр 10, второй генератор 11 импульсов, первый делитель 12 частоты, второй регистр 13, первый реверсивный счетчик 14, статистический анализатор 15, блок сравнения 16, третий генератор 17 импульсов, второй делитель 18 частоты, второй реверсивный счетчик 19, функциональный преобразователь 20, третий 21 и четвертый 22 преобразователи "код-напряжение", третий 23 и четвертый 24 регистры.Блоки 15,16, 1,2,3,5 и 4 соединены между собой последовательно, кроме того, блок 1 памяти и блок 3 управления также соединены между собой. Блоки б, 21, 22, 7, 8, и 9 соединены последовательно. Выход модулятора 9 полярности является выходом имитатора. Вход имитатора 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 соединен со входом статистического анализатора 15. Выход датчика 2 случайных чисел подключен к установочным входам регистров 10,13 и 24, счетчика 5 .и второго реверсивного счетчика 19. Выходы первого регистра 10 соединены с управляющими входами первого преобразователя 7 "код-напряжение" и модулятора 9 полярности. Блоки 11, 12 и 14 соединены между собой последовательно, при этом к управляющим входам первого делителя 12 частоты подключены выходы второго регистра 13. К управляющим входам второго преобразователя 8 "код-напряжение" подключены -выходы первого реверсивного счетчика 14, Блоки 17-20 соединены между собой последовательно, при этом выходы функционального преобразователя 20 подключены к управляющим входам четвертого преобразователя 22 "коднапряжение", а к управляющим входам второго делителя 18 частоты подключены выходы четвертого регистра 24. Управляющие входы третьего преобразователя 21 "код-напряжение" подключены к выходам третьего регистра 23, первый вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, а второй вход - с выходом датчика 2 случайных чисел. Второй выход втор, рого реверсивного счетчика 19 соединен с входом модулятора 9 полярности. К управляющим входам регистров 10, 13, 23 и 24 и реверсивных счетчиков 14 и 19 подключены соответствующие. выходы блока 3 управления.На фиг.2, 3 и 4;приняты, следующие обозначения: Ф и 6(Оо)- соответственно частота и спектральная плотность мощности; 1 - заданная функция С (цУ ); 2 - воспроизводимая функция 6 ( О; 3 - сдвинутая спектральная плотность мощности типового импульса треугольной формы; Фк частоты заполнения типового импульса треугольной формы гармоническими колебания; 0 ( Ф ) - значения заданной спектральной плотности мощности в точках ООк и О.Представим временную функцию 0, , описывающую форму выходного сигнала имитатора, в виде произведения пяти функций, а именно йЮ ОЮО Ю ЮО Юи Ю, (1) где функции, стоящие в правой части (1) , есть передаточные функции соответствующих преобразователей "код-напряжение" и модулятора 9 по.лярности,Рассмотрим режим работы имитатора при О(с) = О 4 (т) = 1, Этот режим обеспечивается подачей соответству-. ющих управляющих сигналов от блока3 управления на третий вход второ-.го реверсивного счетчика 19 и первый(4)45 50 2 А6,оИ -М=ф2 А г ) 2 - фвход третьего регистра 23, благодаря чему второй реверсивный счетчик 19 и третий регистр 23, а следовательно, и функциональный .преобразователь 20, третий 21 и четвертый 22 преобразователи "код-напряжение" устанавливаются в фиксированное сос 5 тояние, определяющее передачу выходного потенциала источника б эталонных напряжений на вход первого преобразователя 7 "код-напряжение" без масштабного преобразования.10В этом режиме имитатор Формирует поток разнополярных импульсов треугольной равнобедренной формы, у которых амплитуда А вершины, длительность С основания и длительность 15 Т - интервала между импульсами являются независимыми случайными величинами, распределенными по соответствующим законам С(А), С(С) С(й), Знак полярности также меняется щ случайным образом, при этом вероятности появления импульсов положительной и отрицательной полярности определяются вероятностями попадания значений в соответствующие. подобласти определения функции. С учетом сказанного функции О(с), О(Й) и О (с) могут быть записаны следующим образом т,е, О(с) для каждого импульса принимает случайное значение;35 т.е. О(с) описывает импульс треугольной формы единичной амплитуды.и случайной длительности; т,е. О(с) для каждого импульса принимает случайное, но и неизменное на протяжении времени С значение.С учетом (2) - (4) имеем 55Перед началом работы имитатора .вблок 1 памяти заносятся последовательности управляющих кодов, обеспечивающих при работе датчика 2 слу-.чайных чисел генерирование случайных 60параметров А, Г и Т, распределенныхпо соответствующим законам С(А),с(;) и с(т),Каждый цикл работы имитатора начинается тем, что для очередного 65 импульса выходного потока генерируется своя группа конкретных значе ний параметров А, Г и Т. При этом датчик 2. случайных чисел последовательно подключается блоком 3 уп.равления к соответствующим областям блока 1 памяти, а именно к области хранения кодов для задания А, затем Т и, наконец, Г . Первое из данной группы случайных чисел определяющее амплитуду А формируемого импульса, заносится по команде из блока 3 управления в первый регистр 10. Второе случайное число, задающее длительность очередного случайного интервала Т между импульсами, переписывается блоком 3 управления с выходов датчика 2 случайных чисел в счетчик 5 импульсов. Третье случайное число, соответствующее длительности Г очередного импульса, заносится по команде из блока 3 управления во второй регистр 13.На выходе источника б эталонных напряжений предварительно устанав" ливается уровень напряжения, равный максимальному амплитудному значению формируемых импульсов, передаваемому третьим 21 и четвертым 22 преобразователями "код-напряжение" без изменения на вход первого преобразователя б "код-напряжение".В соответствии с конкретными значениями случайных кодов, записываемых в первый регистр 10, на выходе первого преобразователя 7 "код-напряжение" могут быть сформированы уровни напряжения в диапазоне от нуля до максимального значения, установленного на выходе источника б эталонных напряжений. В начальной состоянии в реверсивном счетчике 14 записаны нули. При заполнении реверсивного счетчика 14 от нуля до максимального значения на выходе второго преобразователя 8 "код-напряжение" Формируется передний фронт импульса треугольной Формы. Так как реверсивный счетчик 14 заполняется с постоянной (для конкретного значения ь )частотой входных импульсов, то приращения выходного напряжения второго преобразователя 8 "код-напряжение"постоянны, и, следовательно, передний фонт формируемого импульса имеет вид наклонной прямой.Как только в реверсивном счетчике 14 будут записаны все единицы, счетчик включается в режим обратного счетчика. В этот момент оканчивается Формирование переднего фронта выходного импульса, а напряжение на выходе второго преобразователя 8 "коднапряжение" равно его входному напряжению, то есть равно конкретному значению амплитуды А данного импульса сформированного на выходе(8) первого преобразователя 7 "код-напряжение". Так как обратный счетидет с той же частотой, что и прямой, то длительность заднего фронта равна длительности переднего, авыходной импульс имеет вид равнобедренного треугольника.Модулятор 9 полярности сигналапропускает импульс с выхода второгопреобразователя 8 на выход имитатора, либо сохраняя его полярность,либо меняя ее в соответствии с конкретным кодом амплитуды А импульса,записанным в первом регистре 10.Так, например, если конкретному кодированному значению амплитуды Асоответствует попадание действительной амплитуды А в подобласть отрицательных значений области определения функции Г(А), то модулятор 9полярности сигнала распознает этоткод и меняет полярность сигнала,формируемого на выходе второго преобразователя 8 "код-напряжение". Модулятор 9 полярности может быть выполнен с использованием известныхцифровых схем сравнения, пороговыхсхем и операционных усилителей постоянного тока. Так как Фактическивыходные импульсы, поступающие отвторого преобразователя 8 "код-напряжение", имеют ступенчато-треугольную равнобедренную форму из-за дискретности приращений амплитуды импульса, то модулятор 9 полярностисигнала осуществляет, при необходимости, сглаживание фронтов импульса с помощью известных фильтрующихсхем,С помощью случайного числа, записываемого во второй регистр 13,устанавливается соответствующий коэффициент пересчета делителя 12 частоты. Это означает, что для каждогодействительного значения длительности С импульса реверсивный счетчик14 э.".полняется с соответствующейчастотой, получаемой при делениичастоты импульсного потока, поступающего через делитель 12 частотына реверсивный счетчик 14 от второгогенератора 11 импульсов. Такое управление скоростью заполнения реверсивного счетчика 14 необходимо для .того, чтобы при любом действительном значении длительности Симпульса реверсивныйсчетчик 14 успевал отрабатывать двойной цикл - от нулядо максимального значения и обратно,чем и обеспечивается формированиестрого симметричной (равнобедренной)треугольной формы импульса при любых сочетаниях конкретных значенийдлительности г: импульса и его амплитуды А, т.е. при любых возможныхнаклонах фронтов импульсов.С помощью первого генератора 4 импульсов и счетчика 5 осуществля ется развертка случайного кода, записанного в счетчик 5, во временной интервал Т между данным и последующим импульсами. По окончании интервала Т блоком 3 управления обеспечивается реализация нового цикла работы имитатора случайных процессов в режиме формирования импульсов треугольной формы со случайными параметрами.Можно показать, что спектральная плотность мощности случайного процесса в этом режиме определяется выражением ас БЬ(аьИ) 4 15 6(а)= - . Ь, , 1 т(Ь)Ж, (6) 2 огде 0 - дисперсия процесса;Т - математическое ожидание длиОтельности интервала междуимпульсами;1 г;(г)- плотность распределения длительности импульса;выражение в скобках, воэведенное встепень, представляет собой квадрат 25 модуля спектра фурье типового треугольного импульса.Форма кривой 6(Ю ) приведена нафиг.2 для области действительныхчастот,30 При УС (г) = СГ (г-ТО),т.е. дляпроцесса с импульсами постояннойдлительности, спектральная плотностьмощности принимает вид, (МиМ.М) 41 2 То ОаСО+ Форма кривой 61(ги) приведенаМна фиг.З,4 О Второй режим работы имитатораслучайных процессов позволяет реализовать известный принцип переносаспектральной характеристики типового импульса в область высокихчастот путем умножения типового сигнала на гармоническое колебание.Рассмотрим этот режим при неслучайных параметрах. где Вк - амплитуда к-той гармоники.Формирование О.(г) согласно (8)легко и с любой требуемой точностью мОжетбыть осуществлено с помощью цифрового функционального преобразователя20, Положительный полупериод гармоники (8) квантуется при значении 60 юк = 1 на в тактов и значение04(г) =0,1,2 (и -1 ) представляется на выходе функционального преобразователя 20 о-разрядным кодом. Выбором значений а и и д можно обеспечить представление (8)1 с любой требуемой точностью. Величина в определяет разрядность 5 вто- . рого реверсивного, счетчика 19, при этом Б1 осв.,Отрицательный полупериод формируется путем изменения полярности выходного сигнала имитатора подачей управляющего сигнала со второго выхода второго реверсивного счетчика 19 на вход модулятора 9 полярности,Импульсы от третьего генератора 17 поступает через второй делитель 1 О 18 частоты на счетный вход второго реверсивного счетчика 19, сигналы с выхода которого преобразуются функциональным преобразователем 20 в коды, управляющие выходным на пряжением четвертого преобразователя 22 "код-напряжение" и обеспечивающие получение сигнала 04(с). Изменение частоты ОУк обеспечивается путем задания требуемого коэффициен О та пересчета второго делителя 18 частоты с помощью кода, формируембго датчиком 2 случайных чисел,Множество амплитуд Вк и частотаф , к=1,2,г определяется рас" четным путем по заданной спектраль. ной плотности мощности (кривая 1 на фиг.4) и известной спектральной плот" ности мощности типового треугольно" го импульса (фиг.3). Коды амплитуд ВК и частот а,появляются на вЫХо- Зф де датчика 2 случайных чисел с вероятностями о(К), заданными согласно некоторому закону распределения Г (К); значения о(Е). записываются в блок 1 памяти перед началом работы И имитатора, Перед началом Формирования очередного импульса коды ампли". туд Би часто Щ, заносятся с выхода датчика 2 случайных чисел соответственно в третий 23 и четвертый ф) 24 регистры по сигналам из блока 3 управления, поступающим на соответствующие управляющие входы этих регистров.Таким образом, выходной сигнал во втором режиме описывается временной функциейЫ+. осв ф- О,%=О,ЮО,МВ=всоэа с(Д)гД(4- ф),МЮ. ЗОПоложим Т = С = сопьс =Ср,Такому сигналу соответствует спектральная плотность мощности, описываемая Формулой2 о 1" Ь (а) 8 ЕВ (к К:160 (а+Щ) 4+ оВыражение (10) описывает суперпозицию спектральных плотностей мощности типового импульса. треугольнойформы (кривые 3 на Фиг.4) , сдвинутыхвдоль оси частот на частоты Ш иумноженных на весовые коэффициенты,пропорциональные значениям 6 Юк ) .Воспроизводимая согласно (10) спектральная плотность мощности (кривая 2на фиг.4) аппроксимирует заданнуюфункцию спектральной плотности мощности (кривая 1 на Фиг. 4) произвольного вида с любой требуемой степенью точности,,Цля обеспечения равномерного аакона распределения случайной начальнойфазы сигнала (8) датчик 2 случайныхчисел вырабатывает равновероятныеслучайные коды, записываемые передначалом Формирования очередного треугольного импульса во второй резерсивный счетчик 19 по сигналу иэ блока 3 управления, поступанщему натретий (управлякщий) вход второгореверсивного счетчика 19.Таким образом, в данном имитаторе простыми средствами достигается расширение его Функциональныхвозможностей состоящее в обеспечении воэможности формирования случайного процесса с любой требуемой спектральной плотностью мощности. Это позволяет применить имитатордля решения более широкого кругатехнических задач, например, привибрационных испытаниях,С помощью статистического анализатора 15 и блока сравнения 1 б имитатор случайных процессов обеспечивает автоматическое поддержание требуемых характеристик, например спектральной плотности мощности, на выходе динамического объекта, напримерэлектродинамического вибрационногостенда, на вход которого подаетсяпроцесс с выхода имитатора и с выхода которого снимается с помощьюспециальных датчиков сигнал, подаваемый на вход .имитатора и статистаческого анализатора 15. При этомстатистический анализатор 15 вычисляет оценки законов распределения и спектральной плотности мощ"ности входного процесса, а блок сравнения 1 б сравнивает эти оценки с заданными и проводит коррекцию параметров, входящих в выражение (10)при обнаружении отклонения статистических оценок от заданных.Описанный режим может быть использован для автоматической настройкиимитатора случайных воздействий аавоспроизведение случайного процесса,адекватного записанному процессу вусловиях эксплуатации. и подаваемому при настройке на вход имитатора.Этот режим обеспечивает высокую степень автоматизации ударных, вибрационных и других видов испытаний.Формула изобретения Имитатор случайных процессов, содержащий источник эталонных напряжений, последовательно соединенные первый и второй преобразователи "код-напряжение" и модулятор полярности, выход которого соединен с выходом имитатора, счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом первого генератора импульсов ,последовательно соединенные второй генератор импульсов, первый делитель частоты и первый реверсивный счетчик, выход которого соединен с Фуправляющим входом второго преобразователя "код-напрякение", первый регистр, выход которого подключен к управляющим входам первого пре 0 55 3 то же качество обеспечивает полную автономность данного имитатора не требует предварительной обработки информации на вычислительных машинах для его настройки, что открывает возможность широкого внедрения имитатора не только на крупных испытательных центрах, оснащенных вычислительными машинами, но и на предприятиях, проводящих упомянутые испытания.1 ООсобо следует отметить простоту конструкции имитатора и технологичность его изготовления на базе стандартных и унифицированных блоков и элементов цифровой интегральной схемотехники, что обеспечивает повышение. надежности работы имитатора по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения и уменьшает его габариты и вес и потребляемую им мощность, что удовлетворяет одному 20 из существенных требований, предъявляемых к лабораторным автономным приборам.Технико-экономическая эффективностьот внедрения изобретения опре деляется следующими факторами: упрощением и удешевлением испытательного управляющего оборудования; повышением достоверности испытаний и точности воспроизведения заданных характеристик; обеспечением высокой стабильности долговременных испытаний; упрощением и автоматизацией процесса настройки имитатора на воспроизведение случайных процессов с требуемыми законами распределения мгновенных значений и (или)спектральной плотности мощности. оразователя "код - напряжение" имодулятора полярности, второй регистр, выход которого подключен куправляющему входу первого делителячастоты, датчик случайных чисел,вход которого соединен с выходомблока памяти, блок управления, выходы которого соединены с управляю-щими входами блока памяти, датчика случайных чисел, счетчика импульсов, первого реверсивного счетчика, первого и второго регистровсоответственно, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширенияобласти применения имитатора, он содержит последовательно включенныемежду входом имитатора и входомблока памяти статистический анализатор и блок сравнения, последовательно соединенные третий генераторимпульсов, второй делитель частоты,второй реверсивный счетчик и функциональный преобразователь,последовательно включенные между выходомисточника эталонных напряжений ивходом первого преобразователя "коднапряжение", третий.и четвертый преобразователи "код-напряжение", управляющий вход которого соединен свыходом функционального преобразователя, третий регистр, выход которого подключен к управляющему входу третьего преобразователя "коднапряжение", а вход - к соответствующему выходу блока управления,четвертый регистр, выход которогоподключен к управляющему входу второго делителя частоты, а вход - ксоответствующему выходу блока управления, четвертый регистр, выход которого подключен к управляющему входу второго делителя частоты, а входк соответствующему выходу блокауправления, другой выход которогосоединен с управляющим входом второго реверсивного счетчика, другойвыход которого соединен с информационным входом модулятора полярности,выход датчика случайных чисел соединен с установочными входами всехрегистров и счетчиком импульсов. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9, 399631, кл, 6 06 М 7/00, 1971.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2075321/24,кл. 6 06 Г 1/02, 1974 (прототип).3. Авторское свидетельство СССР,Р 517018, кл, С 06 Г 1/02, 1974.796881 Ю,М Ю 6 иГрф г.Ф Составитель Э. СечинаРедактор М. Циткина Техред А. Ач. Корректор В, Синицка а лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 9773/68 ВНИИПИ Р по 113035, удар елам сква ираж 628 Подписное венного комитета СССР зобретений и открытий Ж, Раушская наб., д. 4/5