RU2643645C2

RU2643645C2 - Digital predictive device

Info

Publication number: RU2643645C2
Application number: RU2016104366A
Authority: RU
Inventors: Камиль Хабибович Гильфанов; Павел Павлович Павлов; Геннадий Саяфович Магданов; Андрей Геннадиевич Магданов; Азат Назипович Хуснутдинов
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2018-02-02
Also published as: RU2016104366A

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: device contains three subtractors, two sub-units for quadratic and linear predictions calculation, a sub-unit for the first derivative calculation, an averaging aggregator, a sub-unit for process speed increments calculation, a correction circuit for the forecast code in dynamics, and an additional sub-unit for prediction code correction in a stationary mode.

EFFECT: five times increased forecast time.

5 dwg, 1 app

Description

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов, повышения качества и точности управления в цифровых системах контроля и наведения различных (в т.ч. баллистических) объектов.The invention relates to automation and computer technology and can be used to predict stationary and non-stationary random processes, improve the quality and accuracy of control in digital control systems and guidance of various (including ballistic) objects.

Известно адаптивное цифровое прогнозирующее устройство (патент РФ №2451328, МПК G06F 15/00, 20.05.2012, бюл. №14), содержащее блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов, два субблока расчета второй призводной в (n-1)-й и (n-2)-й расчетных точках предыстории входного процесса и блок адаптации. Устройство имеет относительно большой объем оборудования и функционально ограничено.An adaptive digital predictive device is known (RF patent No. 2451328, IPC G06F 15/00, 05.20.2012, bull. No. 14), which contains a smoothing unit and a forecast unit, which includes: three subtractors, a forecast dynamics control unit, two quadratic subunits and linear forecasts, two sub-blocks for calculating the second winding at the (n-1) th and (n-2) th calculation points of the input process history and an adaptation block. The device has a relatively large amount of equipment and is functionally limited.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, цифровое прогнозирующее и дифференцирующее устройство (патент РФ №2450343, МПК G06F 17/17, 10.02.2012, бюл. №13), содержащее блок сглаживания и блок прогноза, в состав которого входят: три вычитателя, узел управления динамикой прогноза, два субблока квадратичного и линейного прогнозов и два субблока расчета первой производной в (n-1)-й и (n-2)-й расчетных точках предыстории входного сглаженного процесса. Устройство также функционально ограничено.The closest in technical essence to the claimed device is a digital predictive and differentiating device selected as a prototype (RF patent No. 2450343, IPC G06F 17/17, 02/10/2012, bull. No. 13), containing a smoothing unit and a forecast unit, in which consists of: three subtractors, a forecast dynamics control unit, two sub-blocks of quadratic and linear forecasts, and two sub-blocks of calculation of the first derivative at the (n-1) and (n-2) -th design points of the history of the input smoothed process. The device is also functionally limited.

На практике по характеру изменения во времени дискретные случайные процессы (СП) можно разделить на два вида (режима): установившийся (стационарный) и переходный (в дальнейшем «динамика»). Первый характеризуется установившейся скоростью медианы (детерминированной основы) СП, второй имеет нелинейный характер и занимает относительно небольшое время перехода медианы СП на новую установившуюся скорость. Спектр изменения режима по скорости может занимать достаточно большой диапазон: от медленно меняющегося до высоких скоростей.In practice, by the nature of the change in time, discrete random processes (SPs) can be divided into two types (modes): steady (stationary) and transient (hereinafter “dynamics"). The first is characterized by the steady-state velocity of the median (deterministic basis) of the joint venture, the second is non-linear and takes a relatively short time to transition the median of the joint venture to a new steady-state speed. The spectrum of regime change in speed can occupy a rather large range: from slowly changing to high speeds.

В прототипе, как и в аналогах, реализовано наилучшее приближение аналитических операторов квадратичного и линейного прогнозов на базе аппроксимирующих многочленов по 4-м точкам (ординатам) трехуровнего буфера хранения предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов, причем временной интервал (глубина) прогноза h составляет одну треть от времени (B_t) хранения ординат в буферах памяти предыстории B_t=3h. Например, прогноз на Н=h=5 сек требует сохранения информации о процессе в буфере памяти предыстории на период B_t=3h=15 сек, причем с началом динамики (переходом на другую скорость медианы СП) новая (свежая) информация (у_п) поступает только на 1-й уровень буфера предыстории, на 2-х других (y_п-1, у_п-2, у_п-3) сохраняются данные старого режима: естественно, получаемые текущие дискреты прогноза за этот период существенно отличаются от реалий и не могут быть использованы. Прогноз можно считать уже достоверным только после заполнения буфера предыстории на две трети (66%) информацией на новом установившемся режиме.In the prototype, as in analogues, the best approximation of the analytical operators of quadratic and linear forecasts is implemented based on approximating polynomials in 4 points (ordinates) of a three-level buffer storage of the history of the input random discrete process using the least squares method, and the forecast time interval (depth) h is one third of the time (B _t ) of the storage of ordinates in the history buffers B _t = 3h. For example, a forecast for Н = h = 5 sec requires the storage of information about the process in the history buffer for the period B _t = 3h = 15 sec, and with the onset of dynamics (transition to a different velocity of the median SP) new (fresh) information (y _p ) arrives only at the 1st level of the history buffer, on the other 2 (y _n-1 , _n-2 , _n-3 ) data of the old mode is stored: naturally, the obtained current forecast discretes for this period differ significantly from the realities and cannot be used. The forecast can be considered reliable only after filling the history buffer by two-thirds (66%) with information in the new steady state.

Техническая задача для предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей путем увеличения реального времени (глубины) прогноза в пять раз при том же объеме буфера памяти предыстории, без какого-либо существенного ущерба для точности прогноза, т.е. (см. пример выше) теперь при задании Н=5h=25 сек время хранения информации и объем памяти буферов предыстории остается без изменений B_t=3h=15 сек, а не B_t=3Н=75 сек в соответствии с аналитическими формулами расчета прогноза.The technical problem for the proposed device is to expand the functionality by increasing the real-time (depth) forecast by five times with the same amount of historical memory buffer, without any significant damage to the accuracy of the forecast, i.e. (see the example above) now, when setting H = 5h = 25 sec, the information storage time and the memory size of the history buffers remains unchanged B _t = 3h = 15 sec, and not B _t = 3Н = 75 sec in accordance with the analytical formulas for calculating the forecast .

Поэтому в адаптивном цифровом прогнозирующем устройстве, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, причем вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства, регистр и мультиплексор, выходы каждого m=1, 2, 4, 8, 16 и 32 канала блока заведены на информационные входы мультиплексора, адресный вход, которого подключен к выходу регистра, вход последнего подсоединен ко второму управляющему входу устройства для задания степени (эффективности) сглаживания k=0, 1, 2, 3, 4 или 5 (m=2^k), а выход (у_п) мультиплексора заведен на вход первого вычитателя блока прогноза, и блок прогноза, содержащий первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых содержит буфер регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор; субблок расчета квадратичного прогноза, содержащий три сумматора и инвертор, причем выход третьего сумматора является выходом субблока; субблок расчета линейного прогноза из одного сумматора, выходные шины которого монтажно сдвинуты (вправо) на один разряд в сторону младших разрядов и являются выходом субблока; узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр ввода уставки времени прогноза, вход которого является первым управляющим входом устройства, задающим интервал прогноза, инвертор, счетчик и мультиплексор, причем выходные шины регистра ввода уставки времени прогноза подключены непосредственно к первому входу мультиплексора, монтажно сдвинутые вправо на три разряда - ко второму входу мультиплексора и монтажно сдвинутые влево на один разряд, через инвертор, - к входу счетчика, выход мультиплексора соединен с адресными входами мультиплексоров всех трех вычитателей; субблок расчета первой производной, в состав которого входят три сумматора, выход последнего является выходом субблока с кодом первой производной (y'_n-1) в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории входного процесса; узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига; сумматор усреднения дискрет выходов субблоков квадратичного и линейного прогнозов; схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая пять сумматоров, инвертор и мультиплексор; субблок подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему формирования абсолютного значения первой производной (y'_n-1), два последовательно соединенных регистра хранения текущей y'_n-1[(nT)] и предыдущей y'_n-1[(n-1)T)] дискрет скорости процесса, два параллельных канала (на рост и снижение) подсчета приращения скорости процесса, в состав каждого из которых входят компаратор, два элемента И и четырехразрядный счетчик приращений, элемент ИЛИ и триггер режима, причем выход первого элемента И в каждом канале подключен к счетному входу счетчика и на шину сброса в «0» счетчика другого канала, выход элемента ИЛИ заведен на вход установки в «1» триггера режима и на шину записи счетчика узла управления динамикой прогноза, а выход прямого переноса этого счетчика соединен с шиной сброса в «0» триггера, прямой («1») выход которого подключен к адресным входам мультиплексоров узла управления динамикой и схемы коррекции кода прогноза на динамике, выход субблока расчета первой производной через схему формирования ее абсолютного значения заведен на вход первого регистра субблока подсчета приращений, а выходы обоих регистров подключены соответственно к входам компараторов обоих каналов; дополнительный субблок коррекции кода прогноза на стационарном режиме из одного сумматора, для решения поставленной задачи на первый вход сумматора дополнительного субблока коррекции кода прогноза на стационарном режиме заведен выход сумматора усреднения, а на второй вход - выход инвертора третьего вычитателя, а выход сумматора подключен к первому информационному входу мультиплексора схемы коррекции кода прогноза на динамике, в которой на первый вход первого сумматора подключены, монтажно сдвинутые вправо на один разряд, шины выхода сумматора усреднения, а на второй вход - выход инвертора третьего вычитателя, шины выхода первого сумматора заведены, монтажно сдвинутые влево на три разряда, - на первый вход второго сумматора, монтажно сдвинутые влево на один разряд, - на второй вход второго сумматора, монтажно сдвинутые вправо на один разряда, - на первый вход третьего сумматора, монтажно сдвинутые вправо на два разряда, - на второй вход третьего сумматора, выходы второго и третьего сумматоров подключены на входы четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого подключен через инвертор к выходу инвертора третьего вычитателя, выход пятого сумматора заведен на второй информационный вход мультиплексора схемы коррекции кода прогноза на динамике, а выход мультиплексора является выходом устройства.Therefore, in an adaptive digital predictive device, which includes: a smoothing unit containing m = 32 series-connected channels, and the input of the first channel is the information input (x _p ) of the device, the register and the multiplexer, the outputs of each m = 1, 2, 4, 8, 16 and 32 channels of the unit are connected to the information inputs of the multiplexer, the address input is connected to the output of the register, the input of the latter is connected to the second control input of the device to set the degree (efficiency) of smoothing k = 0, 1, 2, 3, 4, or 5 (m = 2 ^k ), and the output (y _n) wound on the multiplexer input of the first subtracter block prediction, and prediction unit comprising first, second and third subtracters, each of which comprises a memory buffer register, the multiplexer, the adder and the inverter unit; a quadratic prediction calculation subunit comprising three adders and an inverter, the output of the third adder being the output of the subunit; a sub-block for calculating a linear forecast from one adder, the output buses of which are mountingly shifted (to the right) by one bit towards the lower digits and are the output of the sub-block; a prediction dynamics control unit comprising a prediction time setting input register, the input of which is the first control input of the device defining a forecast interval, an inverter, a counter and a multiplexer, the output buses of the prediction time setting input register being connected directly to the first input of the multiplexer, mountingly shifted to the right by three discharge - to the second input of the multiplexer and mountingly shifted to the left by one bit, through the inverter - to the counter input, the output of the multiplexer is connected to the address inputs of the mult Iplexers of all three subtractors; a subunit of calculating the first derivative, which includes three adders, the output of the latter is the output of the subunit with the code of the first derivative (y ' _n-1 ) at the (n-1) -th calculation point of the input history buffer; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; adder averaging discrete outputs of sub-blocks of quadratic and linear forecasts; a dynamic prediction code correction scheme containing five adders, an inverter and a multiplexer; a subunit for counting process speed increments containing a scheme for generating the absolute value of the first derivative (y ' _n-1 ), two series-connected storage registers of the current y' _n-1 [(nT)] and the previous y ' _n-1 [(n-1) T)] the discrete process speed, two parallel channels (for growth and decrease) for calculating the increment of the process speed, each of which includes a comparator, two And elements and a four-digit increment counter, an OR element and a mode trigger, with the output of the first And element in each the channel is connected to the counter input of the counter and and the reset bus to “0” of the counter of another channel, the output of the OR element is connected to the input of the setting in “1” of the mode trigger and to the write bus of the counter of the forecast dynamics control unit, and the direct transfer output of this counter is connected to the reset bus to “0” of the trigger, direct ("1") output of which is connected to the address inputs of the multiplexers of the dynamics control unit and the correction scheme for the forecast code for the dynamics, the output of the first derivative calculation subunit through the absolute value generation circuit is connected to the input of the first register of the sub-block scheny and outputs of both registers are respectively connected to the inputs of both comparators channels; an additional subblock of correction of the forecast code in stationary mode from one adder, to solve the problem, the output of the averaging adder is set to the first input of the adder of the additional subblock of correction of the forecast code in stationary mode, and the inverter output of the third subtractor is connected to the second input, and the output of the adder is connected to the first information the input of the multiplexer of the correction scheme for the forecast code on the speaker, in which the output buses are connected to the first input of the first adder; averaging adder, and on the second input - the output of the inverter of the third subtractor, the output buses of the first adder are wired, mountingly shifted to the left by three digits, - to the first input of the second adder, mountingly shifted left by one bit, - to the second input of the second adder, mountingly shifted to the right one bit, - to the first input of the third adder, mountingly shifted to the right by two bits, - to the second input of the third adder, the outputs of the second and third adders are connected to the inputs of the fourth adder, the output of which is connected to the first input m of the fifth adder, the second input of which is connected through the inverter to the inverter output of the third subtractor, the output of the fifth adder is connected to the second information input of the multiplexer of the prediction code correction scheme on the speaker, and the multiplexer output is the output of the device.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема одного канала блока сглаживания; на фиг. 3 - блок-схема узла тактирования блока прогноза; на фиг. 4 - схема формирования абсолютного значения скорости СП; на фиг. 5 - графическая интерпретация вывода формул коррекции кода прогноза на стационарном режиме и на динамике; приложение (на 6-ти листах) - результаты моделирования работы устройства на ЭВМ при обработке нестационарного случайного процесса.The invention is illustrated by drawings, which depict: in FIG. 1 is a block diagram of the proposed device; in FIG. 2 is a block diagram of one channel of a smoothing unit; in FIG. 3 is a block diagram of a timing unit of a forecast block; in FIG. 4 - diagram of the formation of the absolute value of the velocity of the joint venture; in FIG. 5 is a graphical interpretation of the derivation of the formulas for the correction of the forecast code in stationary mode and in dynamics; application (on 6 sheets) - the results of modeling the operation of a device on a computer during processing of a non-stationary random process.

Известны формулы операторов прогноза, полученные аналитически с помощью аппроксимирующих многочленов по четырем точкам (ординатам) буфера предыстории входного случайного дискретного процесса по способу наименьших квадратов (Милн В.Э. Численный анализ. М., «ИЛ», 1951, стр. 212), по аппроксимирующему многочлену второй степени (квадратичному):The known prediction operator formulas obtained analytically using approximating polynomials in four points (ordinates) of the buffer history of the input random discrete process by the least squares method (Milne V.E. Numerical analysis. M., IL, 1951, p. 212), by the approximating polynomial of the second degree (quadratic):

первой степени (линейному):first degree (linear):

Кроме того, известны формулы численного дифференцирования для равноотстоящих точек, выраженные через значения функции в этих точках (Демидович Б.П. и Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., «ФМ», 1960, гл. XV, §4, стр. 573), в частности для четырех точек имеем:In addition, there are known formulas for numerical differentiation for equally spaced points expressed in terms of the function values at these points (Demidovich B.P. and Maron I.A. Fundamentals of Computational Mathematics. M., “FM”, 1960, chap. XV, §4, p. 573), in particular for four points we have:

где у_п - первая (текущая) расчетная точка (ордината);where y _p is the first (current) calculated point (ordinate);

y_п-1, y_п-2, y_п-3 - соответственно вторая, третья и четвертая расчетные точки (ординаты) трехуровневого буфера хранения предыстории входной сглаженной дискретной последовательности. В численном анализе - это система равноотстоящих точек с шагом h, в реальном масштабе времени h - это время (глубина) прогноза, причем период хранения текущей информации в буферах памяти предыстории составляет три интервала прогноза B_t=3h.y _p-1 , y _p-2 , y _p-3 - respectively, the second, third and fourth design points (ordinates) of the three-level buffer for storing the history of the input smoothed discrete sequence. In numerical analysis, this is a system of equally spaced points with a step h, in real time h is the forecast time (depth), and the period of storage of current information in the history memory buffers is three forecast intervals B _t = 3h.

По аналогии с методами исчисления конечных разностей для численного дифференцирования и экстраполяции обозначим:By analogy with the methods of calculating finite differences for numerical differentiation and extrapolation, we denote:

Δy₁=(2у_п-у_п-1) - как биразность первого уровня предыстории входной дискретной последовательности, т.е. разность между удвоенной текущей и предыдущей ординатами процесса;Δy ₁ = (2y _p -y _p-1 ) - as the biodiversity of the first level of the history of the input discrete sequence, i.e. the difference between the doubled current and previous ordinates of the process;

Δy₂=(2у_п-1-y_п-2) - биразность второго уровня предыстории;Δy ₂ = (2y _p-1 -y _p-2 ) - biodiversity of the second level of history;

Δy₃=(2y_п-1-у_п-3) - биразность третьего уровня предыстории.Δy ₃ = (2y _p-1 -y _p-3 ) - biodiversity of the third level of history.

После преобразования уравнений (1), (2) и (3) с целью упрощения и с учетом биразностей получим следующие эмпирические выражения для формул численного дифференцирования и операторов квадратичного и линейного прогнозов:After transforming equations (1), (2) and (3) with the aim of simplification and taking into account biodiversity, we obtain the following empirical expressions for numerical differentiation formulas and quadratic and linear prediction operators:

Предлагаемое устройство реализует операторы прогноза и дифференцирования по формулам (4), (5) и (6), причем основными элементами схемы являются сумматор и блок инверторов, а умножение коэффициентов на слагаемые выполняются соответствующими монтажными сдвигами шин последних при вводе в сумматор. Такие операции на блок-схеме (см. фиг. 1) обозначены кружочком.The proposed device implements prediction and differentiation operators according to formulas (4), (5) and (6), the main elements of the circuit being an adder and an inverter unit, and multiplying the coefficients by the terms is carried out by the corresponding mounting shifts of the latter buses when entering the adder. Such operations in the flowchart (see Fig. 1) are indicated by a circle.

Устройство содержит (см. фиг. 1) блок сглаживания 1, состоящий из многоканального цифрового сглаживающего устройства 2 на m=32 последовательно соединенных канала (см. авт. св. СССР №686034, кл. G06F 15/32, 1979 и №748417, 1980), регистра 3 задания степени сглаживания (к) и мультиплексора 4, и блок прогноза, содержащий три последовательно соединенных вычитателя 5, 6, и 7, каждый из которых включает в себя буфер регистровой памяти 8 из (А) последовательно соединенных регистров 9, мультиплексор 10, блок инверторов 11 (в предположении, что мультиплексор не имеет инверсных выходов) и сумматор 12; субблок 13 расчета квадратичного прогноза, содержащий блок инверторов 14, первый 15, второй 16 и третий 17 сумматоры, выход последнего является выходом субблока; субблок 18 расчета линейного прогноза из сумматора 19, шины выхода которого монтажно сдвинутые на один разряд вправо (в сторону младших разрядов) являются выходом субблока; сумматор 20 усреднения выходов обоих субблоков прогноза 13 и 18; субблок расчета первой производной (y'_n-1), в состав которого входят первый 22, второй 23 и третий 24 сумматоры, на выходе последнего устанавливается код оценки первой производной процесса в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории; субблок 25 подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему 26 формирования абсолютного значения скорости (y'_n-1), включающую в себя (см. фиг. 4) мультиплексор 27 и инвертор 28, последовательно соединенные регистры 29 и 30 (формирующие буфер предыстории приращений скорости процесса), два компаратора 31 и 32, два элемента И 33 и 34, два 4-х разрядных счетчика 35 и 36 приращений скорости процесса (роста и снижения), два элемента И 37 и 38, элемент ИЛИ 39 и триггер режима 40 (ТГ); узел 41 управления динамикой прогноза, содержащий регистр 42 ввода виртуальной уставки времени прогноза, вход 43 которого является первым управляющим входом устройства, через который вводится виртуальное время прогноза h=AT, где Т - цикл работы устройства, А - количество (макс, адрес) регистров 9 в буфере 8 предыстории процесса (Н=5h - реальное время прогноза), инвертор 44, счетчик 45 продолжительности (2h) работы блока прогноза на динамике и мультиплексор 46; второй управляющий вход 47 ввода степени сглаживания (к) СП, информационный (х_n) 48 и тактирующий (f_T) 49 входы устройства; канал 50 (см. фиг. 2) сглаживающего устройства 2 состоит из сумматора 51 и регистра 52; узел 53 тактирования блока прогноза (см. фиг. 3) содержит элемент задержки 54, триггер 55, генератор импульсов 56 (f_г), элемент И 57 и регистр сдвига 58; схема 59 коррекции кода прогноза на динамике содержит пять сумматоров 60, 61, 62, 63 и 64, инвертор 65 и мультиплексор 66, выход которого является выходом 67 устройства, дополнительный субблок 68 коррекции кода прогноза на стационарном режиме из сумматора 69.The device contains (see Fig. 1) a smoothing unit 1, consisting of a multi-channel digital smoothing device 2 on m = 32 series-connected channels (see ed. St. USSR No. 686034, class G06F 15/32, 1979 and No. 748417, 1980), register 3 for setting the degree of smoothing (k) and multiplexer 4, and a prediction block containing three series-connected subtractors 5, 6, and 7, each of which includes a buffer of register memory 8 from (A) series-connected registers 9, multiplexer 10, block of inverters 11 (assuming that the multiplexer does not have inverse moves) and the adder 12; a quadratic prediction calculation subunit 13 comprising a block of inverters 14, a first 15, a second 16 and a third 17 adders, the output of the latter being the output of the subunit; a subunit 18 for calculating a linear forecast from the adder 19, the output buses of which are mountingly shifted one bit to the right (towards the lower digits) are the output of the subunit; an adder 20 averaging the outputs of both prediction subunits 13 and 18; a subunit for calculating the first derivative (y ' _n-1 ), which includes the first 22, second 23, and third 24 adders, at the output of the last, an evaluation code for the first derivative of the process is set at the (n-1) th calculation point of the history buffer; a subunit 25 for counting process speed increments, comprising a circuit 26 for generating an absolute speed value (y ' _n-1 ) including (see FIG. 4) a multiplexer 27 and an inverter 28, registers 29 and 30 connected in series (forming a buffer of the history of speed increments process), two comparators 31 and 32, two I 33 and 34 elements, two 4-bit counts 35 and 36 increments of the process speed (increase and decrease), two I 37 and 38 elements, OR 39 element and 40 mode trigger (TG ); forecast dynamics control unit 41, comprising a register 42 for inputting a virtual prediction time setting, input 43 of which is the first control input of the device through which the virtual forecast time h = AT is introduced, where T is the device operation cycle, A is the number (max, address) of registers 9 in the buffer 8 of the process history (H = 5h is the real forecast time), an inverter 44, a counter 45 for the duration (2h) of the operation of the forecast block on the dynamics and the multiplexer 46; the second control input 47 to enter the degree of smoothing (k) SP, information (x _n ) 48 and clock (f _T ) 49 device inputs; channel 50 (see Fig. 2) of the smoothing device 2 consists of an adder 51 and a register 52; the timing unit 53 of the forecast block (see Fig. 3) contains a delay element 54, a trigger 55, a pulse generator 56 (f _g ), an And 57 element, and a shift register 58; the dynamics prediction code correction circuit 59 contains five adders 60, 61, 62, 63 and 64, an inverter 65 and a multiplexer 66, the output of which is the device output 67, an additional subunit 68 of the stationary prediction code correction from the adder 69.

Для определения момента перехода со стационарного режима на динамику используется субблок 25 подсчета приращений скорости процесса, в котором фиксируется серия из 8-ми подряд приращений роста (или снижения) скорости процесса. Приращение - это результат сравнения на каждом такте текущего и предыдущего значений первой производной процесса в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории. С переходом на динамику (ТГ=1) устройство начинает работать не с полным (h), а усеченным в 8 раз буфером предыстории, т.е. в расчете кода прогноза участвуют только текущие («свежие») дискреты входного процесса, соответственно, получаемый код прогноза дает точную картину изменения (роста или снижения) входного процесса на динамике, но только для уменьшенного в 8 раз времени (глубины) прогноза h_k=h/8 (условно, его можно назвать технологическим).To determine the moment of transition from the stationary mode to the dynamics, a subunit 25 of counting the increments of the process speed is used, in which a series of 8 successive increments of growth (or decrease) of the process speed is recorded. The increment is the result of comparing, at each step, the current and previous values of the first derivative of the process at the (n-1) -th calculated point of the history buffer. With the transition to dynamics (TG = 1), the device does not begin to work with the full (h), but with an 8-fold truncated history buffer, i.e. Only current (“fresh”) discrete samples of the input process are involved in the calculation of the forecast code, respectively, the resulting forecast code gives an accurate picture of the change (increase or decrease) in the input process on the dynamics, but only for the forecast time (depth) reduced by 8 times h _k = h / 8 (conditionally, it can be called technological).

Для приведения кода прогноза на стационарном режиме к увеличенному в пять раз интервалу H=5h в устройство введен дополнительный субблок 68 коррекции кода прогноза. Графическая интерпретация алгоритма работы этого субблока, опирающаяся на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса, представлена на фиг. 5, где Δ1=(Y_n+1-Y_n-3) и Δ5=(Y_n+5-Y_n-3) - корректирующие разности прогноза на стационарном режиме, тогда по известным соотношениям в подобных треугольниках имеем:To bring the forecast code in stationary mode to a five-fold increased interval H = 5h, an additional prediction code correction sub-block 68 is introduced into the device. A graphical interpretation of the operation algorithm of this subunit, based on the postulate of a linear approximation of the median of the input process, is presented in FIG. 5, where Δ1 = (Y _{n + 1} -Y _n-3 ) and Δ5 = (Y _{n + 5} -Y _n-3 ) are the correction differences of the forecast in the stationary mode, then according to the known relations in similar triangles we have:

Уравнение (7) реализовано в предложенном устройстве в дополнительном субблоке 68 коррекции кода прогноза на стационарном режиме для увеличенного в пять раз времени (глубины) прогноза Н=5h.Equation (7) is implemented in the proposed device in an additional subunit 68 of the correction of the forecast code in the stationary mode for the forecast time (depth) increased by five times H = 5h.

Приведение кода прогноза на динамике к увеличенному в пять раз интервалу прогноза Н=5h осуществляется в схеме 59 коррекции кода прогноза. Графическая интерпретация алгоритма работы этой схемы, опирающаяся также на постулат о линейной аппроксимации медианы входного процесса, представлена на фиг. 5.The prediction code on the dynamics is reduced to the forecast interval H = 5h increased by a factor of five in the prediction code correction circuit 59. A graphical interpretation of the operation algorithm of this circuit, also based on the postulate of a linear approximation of the median of the input process, is presented in FIG. 5.

Пусть ΔK=(Y^k _n+1-Y^k _n-3) - корректирующая разность прогноза на динамике, h_k=h/8, h=8h_k, ΔR₅=Y^d _n+5-Y^k _n-3, тогда, в соответствии с известными соотношениями сторон в подобных треугольниках, имеем:Let ΔK = (Y ^k _{n + 1} -Y ^k _n-3 ) be the correction difference of the forecast for the dynamics, h _k = h / 8, h = 8h _k , ΔR ₅ = Y ^d _{n + 5} -Y ^k _n-3 , then, in accordance with the known aspect ratios in similar triangles, we have:

Уравнение (8) реализовано в предложенном устройстве в схеме 59 коррекции кода прогноза на динамике для нового времени (глубины) прогноза H=5h.Equation (8) is implemented in the proposed device in the scheme 59 of the correction of the forecast code on the dynamics for a new time (depth) forecast H = 5h.

Цикл работы устройства состоит из двух тактов. В первом - завершает работу блок сглаживания 1, каждый канал которого реализует оператор экспоненциального сглаживания Y_n+1=

(X_n+Y_n-1). Эффективность сглаживания выбирается заданием с входа 47 степени k=0, 1, 2, 3, 4 или 5, которая в свою очередь определяет число задействованных каналов сглаживания m=2^k (1, 2, 4, 8, 16 или 32).The cycle of the device consists of two clock cycles. In the first, the smoothing unit 1 ends, each channel of which implements the exponential smoothing operator Y _{n + 1} =

(X _n + Y _n-1 ). The smoothing efficiency is selected by setting from the input 47 of degree k = 0, 1, 2, 3, 4, or 5, which in turn determines the number of smoothing channels involved m = 2 ^k (1, 2, 4, 8, 16, or 32).

Во втором такте узел тактирования 53 первой серией мини-тактов ("а", "b", "с") инициирует работу трех вычитателей 5, 6, и 7, субблоков 13, 18, и 21 расчета по формулам (6), (4) и (5) первой производной, квадратичной и линейной составляющих блока прогноза. Сумма кодов последних усредняется Y_n+1=Y_n+1[SR]=(Y_n+1[KB4]+Y_n+1[LH4])/2 в сумматоре 20 и выдается в дополнительный субблок 66 и схему 59 коррекции кода прогноза. Вторая серия мини-тактов ("d", "е", "f") формирует работу субблока 25 подсчета приращений скорости процесса. Субблок предназначен для переключения стационарного (ТГ=0) режима на динамику (ТГ=1). Тактовым сигналом ("d") в регистр 30 из регистра 29 переписывается предыдущая y'_n-1[(n-l)T], а в последний - текущая y'_n-1[nT] дискрета абсолютного значения скорости процесса. Субблок можно разделить на два параллельных канала подсчета количества приращений скорости процесса: падающей и возрастающей. Рассмотрим работу последнего: при положительном соотношении А>В (y'_n-1[nT]>y'_n-1[(n-l)T]) в компараторе 31 тактовый сигнал ("е") поступает на счетный вход счетчика приращений 35 и одновременно сбрасывает в «0» счетчик 36 другого канала. Поступление на счетчик 35 подряд N_d=8 и более импульсов означает, что процесс из стационарного режима перешел на динамику. Высокий уровень («1») выхода 4-го разряда счетчика 35 разрешает сигналу ("f") установить триггер режима 40 в «1» (ТГ=1) и переписать из регистра 42 в счетчик 45 узла 41 управления динамикой в инверсном коде количество тактов (2h), т.е. время работы устройства на динамическом режиме. Прямой выход («1») триггера 40 разрешает выдачу кода прогноза Y^d _n+3 на динамике (уже соответствующему увеличенному времени прогноза 5h) с сумматора 64 схемы коррекции 59 кода прогноза на динамике через мультиплексор 66 на выход устройства 67 и переключает мультиплексор 46 узла 41 управления динамикой на работу блока прогноза только с 1/8 частью буфера предыстории процесса, соответственно, с h_k=h/8 (технологическим) интервалом (временем) прогноза.In the second clock cycle 53, the first series of mini-bars ("a", "b", "c") initiates the operation of three subtractors 5, 6, and 7, subunits 13, 18, and 21 of calculation using formulas (6), ( 4) and (5) the first derivative, the quadratic and linear components of the forecast block. The sum of the codes of the latter is averaged Y _{n + 1} = Y _{n + 1} [SR] = (Y _{n + 1} [KB4] + Y _{n + 1} [LH4]) / 2 in adder 20 and is output to an additional subunit 66 and code correction circuit 59 forecast. The second series of mini-cycles ("d", "e", "f") forms the operation of the subunit 25 for counting the increments of the process speed. The subunit is designed to switch the stationary (TG = 0) mode to the dynamics (TG = 1). The clock signal ("d") in register 30 from register 29 overwrites the previous y ' _n-1 [(nl) T], and in the last - the current y' _n-1 [nT] of the discrete absolute value of the process speed. The subunit can be divided into two parallel channels for counting the number of increments in the process speed: decreasing and increasing. Consider the work of the latter: with a positive ratio A> B (y ' _n-1 [nT]>y' _n-1 [(nl) T]) in the comparator 31, the clock signal ("e") is fed to the counting input of the increment counter 35 and simultaneously resets to “0” counter 36 of the other channel. The receipt of N _d = 8 or more pulses on the counter 35 in a row means that the process has switched from stationary mode to dynamics. The high level (“1”) of the output of the 4th digit of the counter 35 allows the signal (“f”) to set the mode 40 trigger to “1” (TG = 1) and copy from the register 42 to the counter 45 of the dynamic control unit 41 in the inverse code measures (2h), i.e. device runtime in dynamic mode. Direct output (“1”) of trigger 40 enables the generation of a forecast code Y ^d _{n + 3} on the speaker (already corresponding to an increased forecast time 5h) from the adder 64 of the correction scheme 59 of the forecast code on the speaker through multiplexer 66 to the output of device 67 and switches the node multiplexer 46 41 control the dynamics of the operation of the forecast block with only 1/8 of the buffer of the process history, respectively, with h _k = h / 8 (technological) interval (time) of the forecast.

Переход устройства с динамики на стационарный режим осуществляется сбросом в «0» триггера режима (ТГ=0) импульсом прямого переноса счетчика 45 узла управления 41, т.е. только после заполнения на 66% (2h) буфера предыстории процесса новой информацией на новом режиме. Соответственно, мультиплексор 46 переключается на выдачу в буфер предыстории заданного (виртуального) интервала времени h, а мультиплексор 66 - на выход устройства скорректированного кода прогноза Y_n+5 для нового времени прогноза Н=5h.The device switches from dynamics to stationary mode by resetting the mode trigger (TG = 0) to “0” by the direct transfer pulse of counter 45 of control unit 41, i.e. only after filling the process history buffer with 66% (2h) with new information in the new mode. Accordingly, the multiplexer 46 switches to outputting to the history buffer a specified (virtual) time interval h, and the multiplexer 66 switches to the output of the adjusted forecast code Y _{n + 5} for the new forecast time H = 5h.

В приложении приведены результаты моделирования работы устройства.The appendix contains the results of modeling the operation of the device.

Колонка № 6:Column No. 6:

- погрешность прогноза с коррекцией на динамике (ТТ=1),

- forecast error with correction on the dynamics (TT = 1),

колонка № 8:column number 8:

- погрешность прогноза без коррекции на динамике.

- forecast error without correction on the dynamics.

Доработка в предложенном устройстве дополнительного субблока 68 коррекции кода прогноза на стационарном режиме и схемы 59 коррекции кода прогноза на динамике позволяет в пять раз сократить объем регистровой памяти буферов 8 предыстории процесса, а заданное время прогноза остается неизменным на всех режимах, без какого-либо ущерба для точности прогноза (см. колонка №6 приложения).The refinement in the proposed device of an additional subunit 68 for correcting the forecast code in the stationary mode and the scheme 59 for correcting the forecast code for the dynamics allows one to reduce the register memory of the process history buffers 8 by five times, and the specified forecast time remains unchanged in all modes, without any damage to forecast accuracy (see column No. 6 of the appendix).

Claims

Цифровое прогнозирующее устройство, в состав которого входят: блок сглаживания, содержащий m=32 последовательно соединенных каналов, причем вход первого канала является информационным входом (х_п) устройства, регистр и мультиплексор, выходы каждого m=1, 2, 4, 8, 16 и 32 канала блока заведены на информационные входы мультиплексора, адресный вход которого подключен к выходу регистра, вход последнего подсоединен ко второму управляющему входу устройства для задания степени (эффективности) сглаживания k=0, 1, 2, 3, 4 или 5 (m=2^k), а выход (у_п) мультиплексора заведен на вход первого вычитателя блока прогноза, и блок прогноза, содержащий первый, второй и третий вычитатели, каждый из которых содержит буфер регистровой памяти, мультиплексор, блок инверторов и сумматор; субблок расчета квадратичного прогноза, содержащий три сумматора и инвертор, причем выход третьего сумматора является выходом субблока; субблок расчета линейного прогноза из одного сумматора, выходные шины которого монтажно сдвинуты (вправо) на один разряд в сторону младших разрядов и являются выходом субблока; узел управления динамикой прогноза, содержащий регистр ввода уставки времени прогноза, вход которого является первым управляющим входом устройства, задающим интервал прогноза, инвертор, счетчик и мультиплексор, причем выходные шины регистра ввода уставки времени прогноза подключены непосредственно к первому входу мультиплексора, монтажно сдвинутые вправо на три разряда - ко второму входу мультиплексора и монтажно сдвинутые влево на один разряд, через инвертор, - к входу счетчика, выход мультиплексора соединен с адресными входами мультиплексоров всех трех вычитателей; субблок расчета первой производной, в состав которого входят три сумматора, выход последнего является выходом субблока с кодом первой производной (y'_n-1) в (n-1)-й расчетной точке буфера предыстории входного процесса; узел тактирования блока прогноза, содержащий элемент задержки, триггер, генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига; сумматор усреднения дискрет выходов субблоков квадратичного и линейного прогнозов; схема коррекции кода прогноза на динамике, содержащая пять сумматоров, инвертор и мультиплексор; субблок подсчета приращений скорости процесса, содержащий схему формирования абсолютного значения первой производной (y'_n-1), два последовательно соединенных регистра хранения текущей у'_n-1[(nT)] и предыдущей y'_n-1[(n-1)T)] дискрет скорости процесса, два параллельных канала (на рост и снижение) подсчета приращения скорости процесса, в состав каждого из которых входят компаратор, два элемента И и четырехразрядный счетчик приращений, элемент ИЛИ и триггер режима, причем выход первого элемента И в каждом канале подключен к счетному входу счетчика и на шину сброса в «0» счетчика другого канала, выход элемента ИЛИ заведен на вход установки в «1» триггера режима и на шину записи счетчика узла управления динамикой прогноза, а выход прямого переноса этого счетчика соединен с шиной сброса в «0» триггера, прямой («1») выход которого подключен к адресным входам мультиплексоров узла управления динамикой и схемы коррекции кода прогноза на динамике, выход субблока расчета первой производной через схему формирования ее абсолютного значения заведен на вход первого регистра субблока подсчета приращений, а выходы обоих регистров подключены соответственно к входам компараторов обоих каналов; дополнительный субблок коррекции кода прогноза на стационарном режиме из одного сумматора, отличающееся тем, что на первый вход сумматора дополнительного субблока коррекции кода прогноза на стационарном режиме заведен выход сумматора усреднения, на второй вход - выход инвертора третьего вычитателя, а выход сумматора подключен к первому информационному входу мультиплексора схемы коррекции кода прогноза на динамике, в которой на первый вход первого сумматора подключены, монтажно сдвинутые вправо на один разряд, шины выхода сумматора усреднения, а на второй вход - выход инвертора третьего вычитателя, шины выхода первого сумматора заведены, монтажно сдвинутые влево на три разряда, - на первый вход второго сумматора, монтажно сдвинутые влево на один разряд, - на второй вход второго сумматора, монтажно сдвинутые вправо на один разряда, - на первый вход третьего сумматора, монтажно сдвинутые вправо на два разряда, - на второй вход третьего сумматора, выходы второго и третьего сумматоров подключены на входы четвертого сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого подключен через инвертор к выходу инвертора третьего вычитателя, выход пятого сумматора заведен на второй информационный вход мультиплексора схемы коррекции кода прогноза на динамике, а выход мультиплексора является выходом устройства.A digital predictive device, which includes: a smoothing unit containing m = 32 series-connected channels, the input of the first channel being the information input ( _xn ) of the device, a register and a multiplexer, the outputs of each m = 1, 2, 4, 8, 16 and 32 channels of the unit are connected to the information inputs of the multiplexer, the address input of which is connected to the output of the register, the input of the latter is connected to the second control input of the device to set the degree (efficiency) of smoothing k = 0, 1, 2, 3, 4, or 5 (m = 2 ^k), and an output (y _n) of the multiplexer Aveda input to the first subtracter block prediction, and prediction unit comprising first, second and third subtracters, each of which comprises a memory buffer register, the multiplexer, the adder and the inverter unit; a quadratic prediction calculation subunit comprising three adders and an inverter, the output of the third adder being the output of the subunit; a sub-block for calculating a linear forecast from one adder, the output buses of which are mountingly shifted (to the right) by one bit towards the lower digits and are the output of the sub-block; a prediction dynamics control unit comprising a prediction time setting input register, the input of which is the first control input of the device defining a forecast interval, an inverter, a counter and a multiplexer, the output buses of the prediction time setting input register being connected directly to the first input of the multiplexer, mountingly shifted to the right by three discharge - to the second input of the multiplexer and mountingly shifted to the left by one bit, through the inverter - to the counter input, the output of the multiplexer is connected to the address inputs of the mult Iplexers of all three subtractors; a subunit of calculating the first derivative, which includes three adders, the output of the latter is the output of the subunit with the code of the first derivative (y ' _n-1 ) at the (n-1) -th calculation point of the input history buffer; a timing unit of a forecast block comprising a delay element, a trigger, a pulse generator, an AND element, and a shift register; adder averaging discrete outputs of sub-blocks of quadratic and linear forecasts; a dynamic prediction code correction scheme containing five adders, an inverter and a multiplexer; a subunit for counting process speed increments containing a scheme for generating the absolute value of the first derivative (y ' _n-1 ), two series-connected storage registers of the current y' _n-1 [(nT)] and the previous y ' _n-1 [(n-1) T)] the discrete process speed, two parallel channels (for growth and decrease) for calculating the increment of the process speed, each of which includes a comparator, two And elements and a four-digit increment counter, an OR element and a mode trigger, with the output of the first And element in each the channel is connected to the counter input of the counter and to the reset bus at “0” of the counter of another channel, the output of the OR element is connected to the installation input at “1” of the mode trigger and to the write bus of the counter of the forecast dynamics control unit, and the direct transfer output of this counter is connected to the reset bus to the “0” of the trigger, direct ("1") output of which is connected to the address inputs of the multiplexers of the dynamics control unit and the correction scheme for the forecast code for the dynamics, the output of the first derivative calculation subunit through the absolute value generation circuit is connected to the input of the first register of the sub-block information, and the outputs of both registers are connected respectively to the inputs of the comparators of both channels; an additional subunit for correcting the forecast code in stationary mode from one adder, characterized in that the averaging adder has the output of the averaging adder at the first input of the additional subunit for predicting the forecast code in stationary mode, the inverter of the third subtractor is connected to the second input, and the adder output is connected to the first information input the multiplexer of the prediction code correction scheme on the speaker, in which the adder output buses are connected to the first input of the first adder; On the second input, the output of the inverter of the third subtractor, the output buses of the first adder are wired up, mounting to the left by three digits, to the first input of the second adder, mounting to the left one digit, to the second input of the second adder, mountingly shifted to the right one bit, - to the first input of the third adder, mountingly shifted to the right by two bits, - to the second input of the third adder, the outputs of the second and third adders are connected to the inputs of the fourth adder, the output of which is connected to the first input of the fifth sum Ator, the second input of which is connected through an inverter to the inverter output of the third subtracter, the output of the fifth adder wound on the second data input of the multiplexer prediction code correction circuit on the speaker, and the multiplexer output is the output device.