многомерный функциональный преобразователь

Формула изобретения

МНОГОМЕРНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий N блоков задержки, N блоков сравнения, N интеграторов, причем первый и второй входы i-го блока сравнения соединены соответственно с входом и выходом i-го блока задержки, выход i-го блока сравнения соединен с входом i-го интегратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены N сумматоров, N дополнительных блоков сравнения, первый и второй источники опорных напряжений, N блоков масштабирования, причем выход i-го интегратора через i-й блок масштабирования соединен с первым входом i-го сумматора, выход которого соединен с i-м выходом преобразователя, первый вход i-го дополнительного блока сравнения соединен с i-м входом преобразователя, а выход - с входом i-го блока задержки, второй вход первого дополнительного блока сравнения соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход i-го дополнительного блока сравнения, кроме первого, соединен с первым входом (i-1)-го дополнительного блока сравнения, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго источника опорного напряжения, а второй вход i-го сумматора, кроме первого, - с выходом (i-1)-го сумматора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к функциональным преобразователям и может быть использовано в системах учета, планирования и оперативного управления при решении задач экономного расчета и хранения значений скользящего среднего для сигналов измерительной информации. Совокупность сигналов измерительной информации V^I, V^II, ..., V^N предварительно упорядочена, например, в порядке возрастания их среднего уровня, причем диапазоны их изменения близки друг к другу.

Известен одномерный преобразователь, реализованный в виде последовательного соединения блока задержки, первого интегратора и блока сравнения, второго интегратора, вход которого подключен к входу блока задержки и к входу преобразователя, причем выход второго интегратора подключен к второму положительному входу блока сравнения, выход которого подключен к выходу преобразователя. Одновременная обработка нескольких (N) сигналов возможна, если использовать N преобразователей [1].

Недостаток этого преобразователя - низкая точность преобразования.

Наиболее близким по технической сущности является одномерный преобразователь [2], реализованный в виде последовательного соединения блока задержки, блока сравнения и интегратора, причем вход блока задержки подключен к входу преобразователя и к второму положительному входу блока сравнения, а выход интегратора подключен к выходу преобразователя. Одновременная обработка N сигналов может быть осуществлена при использовании N преобразователей.

Недостаток указанного преобразователя - низкая точность преобразования. Повышение точности преобразователя связано с усложнением его структуры, особенно это относится к блоку задержки. Наибольшее распpостранение при реализации блока задержки получили схемы, соответствующие приближению Паде или Тейлора первого, второго и выше порядков. При этом увеличение степени соответствующего полинома приводит к существенному усложнению схемы. Так, например, схема воспроизведения звена запаздывания, соответствующая приближению Паде четвертого порядка, реализуется с помощью шести или семи операционных усилителей (см. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1987, с.113, рис.1.8.5, 1.8.6).

Цель изобретения - увеличение точности преобразователя сигналов измерительной информации.

Цель достигается тем, что в многомерный функциональный преобразователь, содержащий N блоков задержки, N блоков сравнения, N интеграторов,причем первый и второй входы i-го блока сравнения соединены соответственно с входом и выходом i-го блока задержки, выход i-го блока сравнения соединен с входом i-го интегратора, введены N сумматоров, N дополнительных блоков сравнения, первый и второй источники опорных напряжений, N блоков масштабирования, причем выход i-го интегратора через i-й блок масштабирования соединен с первым входом i-го сумматора, выход которого соединен с i-м выходом преобразователя, первый вход i-го дополнительного блока сравнения соединен с i-м входом преобразователя, а выход - с входом i-го блока задержки, второй вход первого дополнительного блока сравнения соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход i-го дополнительного блока сравнения, кроме первого, соединен с первым входом (i-1)-го дополнительного блока сравнения, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго источника опорного напряжения, а второй вход i-го сумматора, кроме первого, соединен с выходом (i-1)-го сумматора.

Введение совокупности новых блоков и связей позволяет при использовании тех же преобразователей, что и в прототипе, существенно повысить точность одновременной обработки нескольких сигналов измерительной информации за счет того, что на каждом слое многомерного функционального преобразователя диапазон изменений входного сигнала V^N для преобразователя приращений по крайней мере на порядок меньше, чем диапазон изменения сигнала V^N.

На чертеже представлена схема многомерного функционального преобразователя, где приняты следующие обозначения:

V^o - опорный входной сигнал многомерного функционального преобразователя, поступающий на первый отрицательный вход первого дополнительного блока сравнения;

Y - опорный выходной сигнал многомерного функционального преобразователя, поступающий на первый вход первого сумматора;

V^I, V^II, ..., V^N - входные сигналы многомерного функционального преобразователя;

- приращения входных сиг-

налов на первом, втором и

N-м слоях многомерного

функционального преобра-

зователя;

Y^I, Y^II, ..., Y^N - выходные сигналы масштабирующих блоков соответственно первого, второго и N-го слоев преобразователя;

Y^I, Y^II, ..., Y^N - выходные сигналы многомерного функционального преобразователя.

Многомерный функциональный преобразователь содержит второй источник 1 постоянного сигнала, первый источник 2 постоянного сигнала, первый дополнительный блок 3 сравнения, первый блок 4 задержки, первый блок 5 сравнения, первый интегратор 6, первый масштабирующий блок 7, первый сумматор 8, второй дополнительный блок 9 сравнения, второй блок 10 задержки, второй блок 11 сравнения, второй интегратор 12, второй масштабирующий блок 13, второй сумматор 14, N-й дополнительный блок 15N сравнения, N-й блок 16N задержки, N-й блок 17N сравнения, N-й интегратор 18N, N-й масштабирующий блок 19N, N-й сумматор 20N.

Входные сигналы измерительной информации V^I, V^II, ..., V^N поступают соответственно на первый, второй и N-й слои многомерного функционального преобразователя. Предварительно эти сигналы упорядочены, например, в порядке возрастания их средних уровней

V_ср^I < V_ср^II < V_ср^N.

Сигнал V^I поступает на второй положительный вход первого дополнительного блока 3 сравнения, где, сравниваясь с поступающим по первому отрицательному входу с опорным сигналом V^o, формируемым с помощью второго источника 1 постоянного сигнала, вырабатывает на своем выходе сигнал разности V^I = V^I - V_o^o. Сигнал V^I подается на второй положительный вход первого блока 5 сравнения и через первый блок 4 задержки, спустя время, равное интервалу отсечки _от, подается на первый отрицательный вход первого блока 5 сравнения. В результате на выходе блока 5 формируется сигнал V^-1(1-e) , который поступает на вход первого интегратора 6. Выходной сигнал первого интегратора 6, равный 1-lV^I , где с - скорость интегрирования, поступает на вход первого масштабирующего блока 7, где он умножаетcя на постоянную величину, равную , формируя тем самым на своем выходе сигнал 1-lV^I ,о скользящем среднем в диапазоне изменения приращений V^I. Этот сигнал поступает на второй вход первого сумматора 8, где суммируется с опорным сигналом Y^o, формируемого с помощью первого источника 2 постоянного сигнала, и вырабатывает на выходе сумматора 8 и соответственно на выходе первого слоя многомерного функционального преобразователя сигнал

Y^I= Y^o + 1-lV^I, что соответствует скользящему усреднению сигнала V^I при условии, что первый источник 2 постоянного сигнала формирует на своем выходе сигнал Y^o, связанный с сигналом V^o соотношением

Y^o = CV^o.

Одновременно с сигналом V^I на второй вход многомерного функционального преобразователя и соответственно на второй положительный вход второго дополнительного блока 9 сравнения поступает сигнал V^II. Из этого сигнала вычитается сигнал V^I, который с первого входа многомерного функционального преобразователя подается на первый отрицательный вход блока 9 сравнения, формируя на его выходе сигнал разности V^II = V^II - V^I. Этот сигнал поступает на вход цепочки, состоящей из второго блока 10 задержки, второго блока 11 сравнения, второго интегратора 12, второго масштабирующего блока 13, где преобразуется по той же схеме, что и на первом слое многомерного функционального преобразователя, и тем самым формирует на выходе второго масштабирующего блока 13 сигнал

Y^II = 1-lV^II.

Этот сигнал поступает на второй вход второго сумматора 14, где суммируется с сигналом Y^I, который, в свою очередь, поступает на первый вход второго сумматора 14 с первого выхода многомерного функционального преобразователя. Таким образом, на выходе второго сумматора 14 и соответственно на выходе второго слоя многомерного функционального преобразователя формируется сигнал, равный

Y^II = Y^I+ 1-lV^II, что соответствует скользящему усреднению сигнала V^II.

Аналогично осуществляется обработка сигнала V на следующих, в том числе и последнем N-м, слоях многомерного функционального преобразователя. Здесь, на выходе N-го дополнительного блока 15 N сравнения формируется сигнал разности V^N = V^N - V^N-1 путем вычитания из сигнала V^N, поступающего по N-му входу многомерного функционального преобразователя, на второй положительный вход N-го дополнительного блока 15 N сравнения,сигнала V^N-1, подаваемого на первый отрицательный вход N-го дополнительного блока 15 N сравнения с (N-1)-го входа многомерного функционального преобразователя. В конечном итоге, на выходе N-го слоя многомерного функционального преобразователя формируется сигнал

Y^N = Y^N-1+ 1-lV^N, что соответствует скользящему усреднению на интервале _от сигнала V^N.

Описанный многомерный функциональный преобразователь построен на базе аналоговых элементов, однако все вышеизложенное является справедливым и для случая многомерного функционального преобразователя, построенного с использованием цифровых элементов ограниченной разрядности. Кроме того, такой преобразователь является работоспособным не только для случая, когда преобразование сигнала на каждом слое осуществляется с помощью скользящего среднего, но и для любых других преобразований.

Наличие в устройстве двух источников постоянного сигнала, нескольких блоков сравнения и нескольких сумматоров позволяет организовать обработку входных сигналов V^N на каждом слое в приращениях по отношению к входным сигналам V^N-1 предыдущего слоя, что в конечном итоге значительно повышает точность их преобразования.

Для доказательства этого конкретизируют условия функционирования преобразователя-прототипа и предлагаемого многомерного функционального преобразователя.

Входные сигналы V^I, V^II, ..., V^N обоих преобразователей упорядочены в порядке возрастания их средних уровней. Сигнал V^o характеризуется базовым уровнем сигнала V^I, ему соответствует сигнал Y^o.

Диапазон изменения сигналов V^N и Y^N (N=) существенно (по крайней мере на порядок) меньше диапазона изменения сигналов V^N и Y^N((N = 1,)) (1).

Оператор текущего среднего, реализуемый как преобразователем-прототипом, так и предлагаемым многомерным функциональным преобразователем, обозначают через (B(S) и считают, что он реализуется с ошибкой таким образом, что модуль амплитудно-фазовой характеристики его может меняться в диапазоне

В() В( ).

Ошибка _Y при преобразовании сигналов V с помощью оператора скользящего среднего полностью определяется величиной В( ).

Преобразование В(S) намного сложнее операций суммирования и вычитания. Поэтому принимают условие

_{C V} << _Y , (2) где _C, _V - соответственно ошибка преобразования сигнала в блоках суммирования и вычитания.

Для этих условий оценивают точность реализации сигналов Y^I, Y^II, ..., Y^N с помощью преобразователя-прототипа и предлагаемого многомерного функционального преобразователя.

Для преобразователя-прототипа выходной сигнал для любого автономного "слоя" равен

Y^N = V^N{B(S) + B(S)} = V^NB(S) +

+ V^N B(S) = V^NB(S) + ^N, (3) где ^N = V^N + B(S). (4)

Для предлагаемого многомерного функционального преобразователя выходной сигнал равен

для первого слоя

Y^I = Y^o + V^IB(S) + ^l, где ^I = V^I + B(S) + _V^I(B(S) + B(S)) + _C^I,

для второго слоя

Y^II = Y^o + {V^II - V^o}B(S) + ^II, где ^II = ( V^I + V^II) B(S) + (_V^I+ _V^II) x x {(B(S) + B(S)} + ( _C^I + _C^II),

Для N-го слоя

Y^N = Y^o + {V^N - V^o} B(S) + ^N , где ^N= B(S)Vⁱ+{B(S)+B(S)} + ⁱ_c. (5)

Выделяют из выражения (4) составляющую

_y= B(S) Vⁱ, которая согласно условию (2) обозначена через _Y.

Учитывая условие (3) получается, что для предлагаемого многомерного функционального преобразователя ошибка ^N для последнего N-го слоя будет наибольшей по отношению к другим слоям и определяться составляющей _Y, т. е.

^N= B(S)Vⁱ. (6)

Сравнивая выражения (4) и (6) отмечают, что, если ошибка ^N для преобразователя-прототипа зависит от абсолютного значения входного сигнала V^N, то для предлагаемого многомерного функционального преобразователя - от суммы приращений всех входных сигналов, т.е. Vⁱ . Учитывая условия (1), отмечают, что для первых нескольких слоев предлагаемого преобразователя ошибка реализации заданного преобразования существенно меньше, чем для преобразователя-прототипа. Условие практической применимости предлагаемого преобразователя с точки зрения точности его реализации по сравнению с прототипом выглядит следующим образом

Vⁱ< V^N, (7)

В предположении, что Vⁱ одинаковы для каждого слоя, выражение (7) записывается

N V < V^N.

Тогда число слоев N, выходные сигналы которых по точности предпочтительней по отношению к соответствующим выходным сигналам прототипа, определяются в соответствии с выражением

N < .

Так, например, если принять, что N = 3 и записать в соответствии с условием (1), что V^N = 0,1V^N, то максимальная ошибка ^III, имеющая место на третьем выходе многомерного функционального преобразователя по крайней мере в 3 раза меньше, чем ошибка на любом "слое" преобразователя-прототипа.