无序反馈系统的制作方法

专利名称：无序反馈系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无序反馈系统，具体地说，它能通过分析奇异吸引子的定性特性并把分析结果反馈到无序系统以确定输入信号是来自随机噪声还是有意义的信息，从而使无序系统输出所希望的状态。
近来，在探寻诸如水流、气流和血液流等自然现象的未来运动的估计过程方面的研究非常活跃，该运动可借助于已获得的运动规律的数学表达来预定。
动态系统可定义为其状态随时间改变的系统。
当稳定状态的解保留在某点时，称动态系统为稳定系统，此点称为平衡点。当系统的吸引子成一闭环时，则称系统为周期系统。当吸引子为环形(doughnut)时，则称为准周期系统。
获得动态系统的吸引子的过程如下所述。
一般地，一个第n级动态系统有n个状态方程，而状态方程表示随时间变化的动态系统状态变化率，如方程(1)所示。
dx1/dt＝f(x1，x2，…，xn)，……dxn/dt＝f(x1，x2，…，xn)……(1)
其中，fRn→Rn代表非线性映射，而x1，x2，…，xn分别代表状态。
以下，作为动态系统的一个基本例子，将描述摆式运动的情况;摆式运动由两个状态方程表示，且摆式运动是如下所述的二阶动态系统。
dx1/dt＝f(x1，x2)dx2/dt＝f(x1，x2)上述状态方程的解包括一暂态解和一稳态解。稳态解可表示在状态空间中，状态空间中每一状态变化都可以构成状态空间的一个轴线，从而完整地表示稳态解。
即，在某一给定时间t，稳定状态解可表示为状态空间中的某点。状态空间中出现的一组点则称为动态系统的吸引子(attractor)。
若给定的动态系统具有有限状态，即有限的n阶动态系统，系统有四种形式的吸引子。则动态系统根据动态系统吸引子的类形被分为四种类型。
即，最简单的动态系统-稳定线性系统，在状态空间中具有一个点吸引子，则称该点为平衡点。此外，具有稳态解，且解是周期解的动态系统，在状态空间中具有闭合环形吸引子，而闭俣环形引吸子称之为有限周期。
而且，备有k阶次调和解、有k个周期的动态系统具有环形(doughnut-shaped)吸引子。该环形被称作环面(torus)。
除上述动态系统的吸引子之外的吸引子是奇异吸引子，且这类动态系统称作无序系统。
即，无序系统指的是在状态空间中有除了点吸引子、有限循环、及环形之外的奇异吸引子的系统。
如上所述，吸引子可从表示自然现象的运动状态的状态方程构成。在此情况下，在n阶动态系统中已知所有n个状态方程，故可容易地构成吸引子。
但实际上，在给定的n阶动态系统中，几乎不可能获得全部n个状态方程，更不用说状态变量了。因此，迄今人们的努力都集中在只从一个状态变量建构n阶动态系统的吸引子上。
即当从给定状态变量的稳态解获得吸引子时，吸引子可在状态空间中给出。
由于可能在状态空间中不能获得所需的吸引子，故应引入嵌入空间。
如上所述，从给定状态变量建构的n阶动态系统的吸引子被称作吸引子重建。吸引子重建对依赖实验的研究者起着重要的作用。
吸引子重建是Tarkens在80年代中期提出的。
此外，轨迹时间(tracetime)被等分成相同的周期，且等分出的时间的对应状态值被表示为矢量g(t)。矢量g(t)满足下列方程g(t)＝｛y(t)，y(t+τ)，…，y(t+nτ)｝其中，y(t)代表状态值，τ是被等分成相同周期延迟时间，而n+1是被嵌入的度。
若延迟时间和嵌入度不变，矢量表示为一个点。若延迟时间和嵌入度改变，则矢量在嵌入空间中留下一条轨迹。
在给出的n阶嵌入空间中的矢量轨迹可能与给出的动态系统吸引子的轨迹不完全相同，但从定性的方面(构形面)(patternface)上看，矢量轨迹与原动态系统的轨迹有关。
但是，需要确定吸引子是由无序系统的随机噪声还是由无序系统有意义的信息构成的。
有两种分析重建吸引子的方法，一种是分析重建吸引子的定性特征，称为定性法，另一种是分析构形的程度，如吸引子的斜率，称为定量法。
在重建的吸引子有平衡点、限定周期或环的构形情况下，只用定性法分析吸引子是可能的。在奇异吸引子被重建时，要确定吸引子是来自噪声还是来自有意义的信息，只用定性法却是不可能的。因此在此情况下，奇异吸引子通过分析吸引子的定量特性进行分析。
在分析重建奇异吸引子定量特性上有各种各样的方法，如计算奇异吸引子的吸收能力的方法、获得信息度的方法、及获取相关度的方法等等。
下文描述计算重建的奇异吸引子的能力的方法。
设重建的奇异吸引子被半径为r形状，如球形或六面体的体积元所覆盖，且所需覆盖整个吸引子的体积元数为N(r)，则满足关系N(r)＝krD。
在半径r被足够地减小时，n(r)可对D求解，吸引子的容量Dcap满足下列方程 获取吸引子容量的过程是通过利用该空间来进行的，但它没有利用随给定动态系统的状态变化的信息。
即，在分析随动态系统状态变化的信息而重建的吸引子的定量特性中，信息度推算利用了下列公式 其中I(r)=-Σi=1N(r)PilnPi]]>Pi代表轨迹进入第n个体元的概率，而I(r)表示给定动态系统的熵。
同时，分析重建的吸引子的定量特性的最方便的方法，是获得相关度。下面将详细描述该方法。
首先，得到具有在半径为Ri的一圆周内出现的状态数，且Ri对应于两个状态Xi和Xj之间的距离。所得到的状态数被除以吸引子状态值(N)的平方，即N2。、在整数N趋于无穷时，可得到满足下列方程(1)的状态Xi的相关和C(R)C(R)＝lim 1/N2｛使得｜Xi-Xj｜＜R的状态(Xi，Xj)的数｝……(1)用如上计算的相关和C(R)，可通过下式算出相关度Dc 相关度Dc代表了由公式(1)所计算的相关和C(R)的图形的线性部分的斜率。
即用公式(1)计算的相关和C(R)的图形曲线被绘制成向某一值收敛的形式。但由噪声重建的吸引子则被绘制成发散的形式。
而且，吸引子的相关度Dc，是从由方程(1)获得的图形线性部分的斜率得到的。
如上述，在分析重建的奇异吸引子的定量特性时，探寻相关度的电路被称为无序处理器。
在先有技术中，无序处理器需要大量的计算工作量，因为相关和要从所有状态X1，X2，…，Xn获得。即，为得到相关和，需要的计算量等于全体状态数的平方N2(N2＝N(N-1)/2)。状态数越多，利用普通计算机完成的实时处理计算就越困难，也就无法实时地利用无序系统的结果。
因此，本发明的目的是提供一种无序反馈系统，它包括一个无序处理器，其中用于计算吸引子相关度的专用处理器是由硬件实现的，从而完成实时处理;该系统能把无序处理器输出的结果反馈到无序系统。
根据本发明，这一目的可通过提供一种无序反馈系统来实现;该系统包括无序系统，用于从输入态导出稳态解，该无序系统具有从稳态解得到的奇异吸引子;无序处理器，用于输出相关度以便从所述奇异吸引子的状态值的实时分析定量特性;无序反馈控制器，用于把无序处理器输出的结果反馈给无序系统，从而使无序系统输出所希望的状态值。
根据下面结合附图进行的详细描述，可更加容易地理解本发明的各种特性和优点。在附图中

图1的框图表示根据本发明第一实施例的无序反馈系统;
图2的框图表示根据本发明第二实施例的无序反馈系统;
图3的框图表示根据本发明第三实施例的无序反馈系统;
图4的框图表示根据本发明第四实施例的无序反馈系统;
图5的框图表示根据本发明第五实施例的无序反馈系统;
图6的框图表示根据本发明第六实施例的无序反馈系统;
图7的框图表示构成本发明的反馈系统的无序处理器;
图8是时间状态图，所描绘的是以输入给无序处理器的状态值为例，该无序处理器被用于构成本发明的反馈系统;
图9表示距离指数和状态数之间的关系，且描绘了通过无序处理器计算出的相关和，而无序处理器则用于构成本发明反馈系统。
图1是表示根据本发明第一实施例的反馈系统。如图1所示，无序反馈系统包括具有奇异吸引子的无序系统1;无序处理器2，用于通过无序系统1输出的奇异吸引子状态值X(n)来分析吸引子的定量特性，并用于输出相应度;反馈控制部分3，用于把无序处理器2输出的结果反馈给无序系统1，并用于控制无序系统1以从无序系统1输出所希望的状态值X(n)。
反馈控制部分3有两个目的一个是从无序系统中自然存在的无数种状态中选出所需的状态，然后通过对易获得的系统参数施加以极小的变化来稳定该状态;另一种是快速控制无序轨迹来获取希望的状态。
即，无序处理器2和反馈控制部分3形成一环路。
参见图7，表示构成本发明反馈系统的无序处理器2。如图7所示，无序处理器2包括适用于切换无序系统1状态值Xi的切换单元21，该切换单元随后将利用所经过的时间进行分析并输出这些状态值;状态值选择单元22，适于根据嵌入度ED和延迟时间DL选择切换单元21输出的状态值;距离计算单元23，适于根据状态值选择单元22选定的两个状态值Xi和Xj计算距离Ri并输出距离Ri。还提供有相关和计算单元24，它适于把距离计算单元23输出的距离Ri与以前存储的距离指数dj进行比较，并输出对应于符合给定距离条件的距离指数的相关和C(r)。无序处理器2还包括拐点识别单元25，用于识别从相关和计算单元24输出的相关和C(r)的适当拐点;斜率计算单元26，用于计算连接这些拐点的线的斜率并输出相关度DC;控制单元27，用于根据输入时钟CLK、启动信号EN、嵌入度ED及延迟时间DL来控制开关单元21、状态值选择单元22、距离计算单元23、相关和计算单元24及识别单元25。
状态值选择单元22包括一对寄存器。一个设定单元28与识别单元25的另一输入端相连，以把外界来的最佳拐点输入给识别单元25。
现在结合附图，描述根据本发明的无序反馈系统的运行。
当无序系统1接收状态时，它从输入状态IN导出一奇异吸引子。导出的奇异吸引子被馈给无序处理器2。
无序处理器2计算表示输入的奇异吸引子的定量特性的相关度Y(n)。算出的相关度Y(n)被加到反馈控制部分3;接头改变在无序系统1中执行的传递函数F(n)或系统1中接收的状态，以获得所需的输出值OUT。
下文，将结合图7至9，描述本发明的无序反馈系统中所用的无序处理器的运行。
首先，将以嵌入度ED＝1和延迟时间DL＝τ＝t为例来进行描述。
当无序处理器2接收到有奇异吸引子的无序系统1的状态时，输入状态X(n)通过按照发自控制单元27的控制信号进行切换的切换单元21而被施加给状态选择单元22。
设输入状态X(n)的初始值为X(to)，初始状态值X(to)经切换单元21被馈给状态选择单元22。在每一延迟时间τ连续输入的状态值经切换单元21被施加给状态选择单元22。
即，初始状态值X(to)先被输入到状态选择单元22。然后，状态选择单元22在延迟时间to+△t接收状态值X(to+△t)。状态值X(to)和X(to+△t)随后根据来自控制单元27的控制信号被提供给距离计算单元23。
在预定时间距离计算单元23把输入的状态值X(to)和X(to+△t)存入其自身的寄存器，然后在经过一段时间之后将它们作为状态值输出，如图8所示。
随着所输出的状态值X(to)和X(to+△t)，距离计算单元23计算出两个状态值X(to)和X(to+△t)之间的距离。此时，嵌入度为1且延迟时间τ为△t。因此，距离R1可由下列方程运算中得到R1=［X(t0)-X(to+△t)2]]>计算出的距离被提供给相关和计算单元24，单元24随后把输入的距离R1与先前存储的距离指数di相比较，并且当满足条件R1＞di时将距离指数di加1，从而获得增加的距离指数dj.。
即，增加的距离指数dj满足下列方程(2)
dj＝di+1……(2)其中i＜j上述步骤在延迟时间△t执行。切换单元21提供在下一延迟时间2△t其接收的状态值X(to+2△t)。根据输入的状态值X(to+2△t)及初始状态值X(to)，距离计算单元23输出两个状态值之间的距离R2。
输出的距离R2经相关和计算单元24与先前存储的距离指数dj相比较。当比较的结果满足条件R2＞dj时，距离指数dj被增加。
对随延迟时间的推移而接收的所有状态值重复上述过程。当出现在具有对应于增大距离指数的直径的圆周上的状态的数目Ndj达到预定的最终数Dmax时，没有输入状态值提供给状态值选择单元22上。
即，在通过相关和计算单元24而确定出现在对应于距离指数dj的直径的圆周上的状态数Ndj达到最终数目Max情况下，来自控制单元27的控制信号被施加到切换单元21上，用以切换切换单元21。通过切换单元21的切换操作，关闭了向状态值选择单元22的状态值提供。
同时，识别单元25从控制单元27接收控制信号，并在表示Ndj状态数的图中选择具有适当拐点的距离指数di和dj，图中表示的Ndj出现在具有对应所输入距离指数的直径的圆周之中。此图示于图9中。
可将先前在识别单元25中设定的拐点作为距离指数di和dj予以选择，用户也可从外部经设定单元28设定拐点。
在距离指数已事先经识别单元25设定时，为导出拐点，从可选择的距离指数di和dj选择距离指数。从连接选定距离指数和其他距离指数的线上寻找满足最小距离的距离指数。一旦找到该距离指数，便执行把找到的距离指数设定为拐点的过程，以确定适当的拐点。当距离指数由设定单元28确定时，从外部确定待分析的动态系统中经实验所预定的最佳拐点。
如上确定的拐点被馈给斜率计算单元26。在那里由表示距离指数的d轴和表示呈现在直径等于距离指数的圆周上的状态值数Nd轴构成X-Y坐标平面;斜率计算单元26计算从增加的状态值数得到的斜率。
此时，斜率用下列方程式(3)计算斜率＝(1/N))(log(Ndj)-log(Ndi)/(log(dj)-log(di))……(3)算出的斜率是无序系统1的相关度，即无序处理器2的最终输出Y(n)。
在假设嵌入度ED为1且延迟时间DL为t的基础上获得的无序系统相关度，则按照逐点法称为相关度。
当嵌入度ED及延迟时间DL分别假设为n和t+p，且采用n阶无序系统时，状态值选择单元22经切换单元21在时间(n-1)p△t内在时间to点输出状态值Xi。
状态值可用下式表示Xi＝[X(to)，X(to+p△t)，…，X(to+np△t)]而且，在时间to+△t的状态值Xj可由下列方程式表达Xj＝[X(to+△t，X(to+(p+1)△t)，…，X(to+np△t)]从上述状态值算出的距离值R1是[Xj-Xi]2。根据此算出的距离，可用相关计算单元24、识别单元25、斜率计算单元26、及控制单元27获得相关度Y(n)。相关度Y(n)是指按照一种完整的方法的一种相关度。
来自无序处理器2的相关度Y(n)被馈给反馈控制部分3，然后将输入的相关度与所希望的相关度进行比较，并根据比较结果改变无序系统1接收的状态，从而获得所需的输出值OUT。
图2表示根据本发明第二实施例的无序反馈系统。在此实施例中，无序系统1和反馈控制部分3之间连有多个无序处理器2A1至2An，以便并行地处理输入状态值。
第二实施例的无序系统1及反馈控制部分3以与图1所示的第一实施例相同的方式运行。来自无序系统1的状态值X(n)被馈给所有无序处理器2A1至2An。无序处理器2A1至2An有不同的嵌入度及不同的延迟时间，并用于导出各自的相关度Y1(n)至Yn(n)并将其馈至反馈控制单元3。
图3是表示本发明第三实施例的无序反馈系统。在此实施例中，多个反馈控制部分3A1至3An分别连到并联的无序处理器2A1至3An分另连到并联的无序处理器2A1至2An的输出端，以便把各个无序处理器2A1至2An输出的最终输出值Y1(n)至Yn(n)反馈给无序系统1。
第三实施例的无序系统1与图1所示的第一实施例的运行方式相同。无序处理器2A1至2An的工作方式与图2所示的第二实施例的运行方式相同。来自各个无序处理器2A1至2An的相关输出Y1(n)至Yn(n)被馈给相应的反馈控制部分3A1至3An。
在反馈控制部分3A1至3An分别从无序处理器2A1至2An接收相关度Y1(n)至Yn(n)时，它们改变无序系统1中执行的传递函数F(n)或无序系统1接收的输入状态值IN，从而获得所希望的输出值OUT。
图4表示根据本发明第四实施例的无序反馈系统。在此实施例中，反馈控制部分3接收无序系统1输出的输入状态X(n)及无序处理器2输出的最后输出Y(n)，以便使无序系统1根据状态X(n)输出所需的状态。第四实施例的无序系统1和无序处理器2的运行方式与图1所示的第一实施例相同。
在收到无序系统1输出的输入状态X(n)和无序处理器2输出的最后输出Y(n)时，反馈控制部分3，根据无序处理器2输出的相关度，调节无序处理器2接收的状态值X(n)。来自反馈控制部分3调节的状态值被馈至无序系统1。
即，根据第四实施例的反馈系统，以无序系统1输出的状态值X(n)和无序处理器2输出的相关度Y(n)作为其输入进行运行。使用这些状态值X(n)和相关度Y(n)，该反馈系统周期地运行以检查无序系统1的输出或仅在反馈控制部分3需要其运行时运行。
图5表示根据本发明第五实施例的无序反馈系统。在此实施例中，无序处理器2由n个无序处理器2A1至2An构成，且反馈控制部分3被构造来接收无序系统1输出的输入状态X(n)和n个无序处理器2A1至2An输出的最终输出Y1(n)至Yn(n)，以便无序系统1输出所希望的状态。第五实施例的无序系统1具有与图1所示的第一实施例的相同的结构。
第五实施例的无序系统1和反馈控制部分3的运行方式与图4所示的第四实施例的相同。来自无序系统1的状态值X(n)被馈给所有的无序处理器2A1至2An。无序处理器2A1至2An具有不同的嵌入度和不同的延迟时间并导出各自的相关度并将其反馈给反馈控制部分3。
图6表示根据本发明第六实施例的无序反馈系统。在此实施例中，无序处理器2由n个无序处理器2A1至2An构成，且反馈控制部分3由n个连到相应的无序处理器2A1至2An的输出端的反馈控制部分3A1至3An构成。反馈控制部分3A1至2An分别接收无序系统1输出的输入状态X(n)和最终输出自n个无序处理器2A1至2An的输出Y1(n)至Yn(n)，以便无序系统1输出所希望的状态。第六实施例的无序系统1具有与图1所示的第一实施例相同的结构。
无序系统1的运行方式与图4所示的第四实施例的相同。无序处理器2A1至2An的运行方式与图5的第五实施例的相同。从无序处理器2A1至2An输出的相关度Y1(n)至Yn(n)和输入给无序处理器2A1至2An的状态值X(n)被馈给相应的反馈控制部分3A1至3An。
反馈控制部分3A1至3An在分别接收相关度Y1(n)至Yn(n)及状态值X(n)时，它们改变无序系统1中的传递函数F(n)或无序系统1接收的输入状态值IN，以使无序系统1输出所希望的输出值OUT。
由上述可见，本发明提供了一种反馈系统，它能根据用于分析无序系统的奇异吸引子定性特性的相关度，改变其执行在无序系统中的传递函数或改变无序系统实时地接收的输入状态值，以使无序系统输出所希望的状态值。
尽管为了说明的目的，公布了本发明的最佳实施例，本领域的人员应理解的是，在不脱离所附权利要求书所公布的本发明范围和精神的前提下，对技艺上的技巧可进行多种修改、追加和替换。
权利要求
1.一种无序反馈系统，包括用于从输入状态导出稳定状态解的无序系统，所述无序系统具有从所述稳定状态解得到的奇异吸引子；无序处理装置，用于输出相关度，以从所述奇异吸引子的状态值实时地分析定量特性；无序反馈控制装置，用于把所述无序处理装置的输出结果反馈给无序系统以使无序系统输出所希望的状态值。
2.根据权利要求1无序反馈系统，其中所述无序处理器装置包括用于以不同嵌入度的输入和不同延迟时间的输入的状态值分别导出相关度的多个无序处理器。
3.根据权利要求2的无序反馈系统，其中所述无序反馈控制器包括用于分别从所述的无序处理器接收所述的相关度的多个反馈控制部分，以便所述无序系统输出所希望的状态值。
4.根据权利要求1的无序反馈系统，其中所述无序反馈控制器适于从所述无序处理器装置接收所述的相关度并从所述无序系统接收所述状态值，并根据相关度将无序系统输出的状态值改变成所希望的状态值。
5.根据权利要求2的无序反馈系统，其中所述无序反馈控制器装置适于从所述无序处理器接收以不同嵌入度和不同延迟时间输入的各状态值的相关度，并从所述无序系统接收所述状态值，并把从无序系统输出的状态值改变成所希望的状态值。
6.根据权利要求5的无序反馈系统，其中所述无序反馈控制器装置包括多个反馈控制部分，这些部分用于从所述无序处理器接收相应的所述相关度并从所述无序系统中接收相应的所述值作为输入。
全文摘要
一种包括无序系统的无序反馈系统，能通过分析奇异吸引子的定性特性来分析输入信号是来自噪声还是来自有意义的信息，并将结果反馈到无序系统使之输出所需状态。该系统包括用于从输入状态导出稳态解的无序系统，无序处理器，用于输出相关度以从奇异吸引子的状态值实时分析定量特性；无序反馈控制器部分，用于把无序处理器输出的结果反馈到无序系统，以使无序系统输出所需状态值。
文档编号G05B5/01GK1096604SQ9311788
公开日1994年12月21日 申请日期1993年9月22日 优先权日1993年6月19日
发明者王普贤, 金仁泽, 卢永薰 申请人:株式会社金星社