專利名稱：無序反饋系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無序反饋系統，具體地說，它能通過分析奇異吸引子的定性特性并把分析結果反饋到無序系統以確定輸入信號是來自隨機噪聲還是有意義的信息，從而使無序系統輸出所希望的狀態。
近來，在探尋諸如水流、氣流和血液流等自然現象的未來運動的估計過程方面的研究非常活躍，該運動可借助于已獲得的運動規律的數學表達來預定。
動態系統可定義為其狀態隨時間改變的系統。
當穩定狀態的解保留在某點時，稱動態系統為穩定系統，此點稱為平衡點。當系統的吸引子成一閉環時，則稱系統為周期系統。當吸引子為環形(doughnut)時，則稱為準周期系統。
獲得動態系統的吸引子的過程如下所述。
一般地，一個第n級動態系統有n個狀態方程，而狀態方程表示隨時間變化的動態系統狀態變化率，如方程(1)所示。
dx1/dt＝f(x1，x2，…，xn)，……dxn/dt＝f(x1，x2，…，xn)……(1)
其中，fRn→Rn代表非線性映射，而x1，x2，…，xn分別代表狀態。
以下，作為動態系統的一個基本例子，將描述擺式運動的情況;擺式運動由兩個狀態方程表示，且擺式運動是如下所述的二階動態系統。
dx1/dt＝f(x1，x2)dx2/dt＝f(x1，x2)上述狀態方程的解包括一暫態解和一穩態解。穩態解可表示在狀態空間中，狀態空間中每一狀態變化都可以構成狀態空間的一個軸線，從而完整地表示穩態解。
即，在某一給定時間t，穩定狀態解可表示為狀態空間中的某點。狀態空間中出現的一組點則稱為動態系統的吸引子(attractor)。
若給定的動態系統具有有限狀態，即有限的n階動態系統，系統有四種形式的吸引子。則動態系統根據動態系統吸引子的類形被分為四種類型。
即，最簡單的動態系統-穩定線性系統，在狀態空間中具有一個點吸引子，則稱該點為平衡點。此外，具有穩態解，且解是周期解的動態系統，在狀態空間中具有閉合環形吸引子，而閉俁環形引吸子稱之為有限周期。
而且，備有k階次調和解、有k個周期的動態系統具有環形(doughnut-shaped)吸引子。該環形被稱作環面(torus)。
除上述動態系統的吸引子之外的吸引子是奇異吸引子，且這類動態系統稱作無序系統。
即，無序系統指的是在狀態空間中有除了點吸引子、有限循環、及環形之外的奇異吸引子的系統。
如上所述，吸引子可從表示自然現象的運動狀態的狀態方程構成。在此情況下，在n階動態系統中已知所有n個狀態方程，故可容易地構成吸引子。
但實際上，在給定的n階動態系統中，幾乎不可能獲得全部n個狀態方程，更不用說狀態變量了。因此，迄今人們的努力都集中在只從一個狀態變量建構n階動態系統的吸引子上。
即當從給定狀態變量的穩態解獲得吸引子時，吸引子可在狀態空間中給出。
由于可能在狀態空間中不能獲得所需的吸引子，故應引入嵌入空間。
如上所述，從給定狀態變量建構的n階動態系統的吸引子被稱作吸引子重建。吸引子重建對依賴實驗的研究者起著重要的作用。
吸引子重建是Tarkens在80年代中期提出的。
此外，軌跡時間(tracetime)被等分成相同的周期，且等分出的時間的對應狀態值被表示為矢量g(t)。矢量g(t)滿足下列方程g(t)＝｛y(t)，y(t+τ)，…，y(t+nτ)｝其中，y(t)代表狀態值，τ是被等分成相同周期延遲時間，而n+1是被嵌入的度。
若延遲時間和嵌入度不變，矢量表示為一個點。若延遲時間和嵌入度改變，則矢量在嵌入空間中留下一條軌跡。
在給出的n階嵌入空間中的矢量軌跡可能與給出的動態系統吸引子的軌跡不完全相同，但從定性的方面(構形面)(patternface)上看，矢量軌跡與原動態系統的軌跡有關。
但是，需要確定吸引子是由無序系統的隨機噪聲還是由無序系統有意義的信息構成的。
有兩種分析重建吸引子的方法，一種是分析重建吸引子的定性特征，稱為定性法，另一種是分析構形的程度，如吸引子的斜率，稱為定量法。
在重建的吸引子有平衡點、限定周期或環的構形情況下，只用定性法分析吸引子是可能的。在奇異吸引子被重建時，要確定吸引子是來自噪聲還是來自有意義的信息，只用定性法卻是不可能的。因此在此情況下，奇異吸引子通過分析吸引子的定量特性進行分析。
在分析重建奇異吸引子定量特性上有各種各樣的方法，如計算奇異吸引子的吸收能力的方法、獲得信息度的方法、及獲取相關度的方法等等。
下文描述計算重建的奇異吸引子的能力的方法。
設重建的奇異吸引子被半徑為r形狀，如球形或六面體的體積元所覆蓋，且所需覆蓋整個吸引子的體積元數為N(r)，則滿足關系N(r)＝krD。
在半徑r被足夠地減小時，n(r)可對D求解，吸引子的容量Dcap滿足下列方程 獲取吸引子容量的過程是通過利用該空間來進行的，但它沒有利用隨給定動態系統的狀態變化的信息。
即，在分析隨動態系統狀態變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代表軌跡進入第n個體元的概率，而I(r)表示給定動態系統的熵。
同時，分析重建的吸引子的定量特性的最方便的方法，是獲得相關度。下面將詳細描述該方法。
首先，得到具有在半徑為Ri的一圓周內出現的狀態數，且Ri對應于兩個狀態Xi和Xj之間的距離。所得到的狀態數被除以吸引子狀態值(N)的平方，即N2。、在整數N趨于無窮時，可得到滿足下列方程(1)的狀態Xi的相關和C(R)C(R)＝lim 1/N2｛使得｜Xi-Xj｜＜R的狀態(Xi，Xj)的數｝……(1)用如上計算的相關和C(R)，可通過下式算出相關度Dc 相關度Dc代表了由公式(1)所計算的相關和C(R)的圖形的線性部分的斜率。
即用公式(1)計算的相關和C(R)的圖形曲線被繪制成向某一值收斂的形式。但由噪聲重建的吸引子則被繪制成發散的形式。
而且，吸引子的相關度Dc，是從由方程(1)獲得的圖形線性部分的斜率得到的。
如上述，在分析重建的奇異吸引子的定量特性時，探尋相關度的電路被稱為無序處理器。
在先有技術中，無序處理器需要大量的計算工作量，因為相關和要從所有狀態X1，X2，…，Xn獲得。即，為得到相關和，需要的計算量等于全體狀態數的平方N2(N2＝N(N-1)/2)。狀態數越多，利用普通計算機完成的實時處理計算就越困難，也就無法實時地利用無序系統的結果。
因此，本發明的目的是提供一種無序反饋系統，它包括一個無序處理器，其中用于計算吸引子相關度的專用處理器是由硬件實現的，從而完成實時處理;該系統能把無序處理器輸出的結果反饋到無序系統。
根據本發明，這一目的可通過提供一種無序反饋系統來實現;該系統包括無序系統，用于從輸入態導出穩態解，該無序系統具有從穩態解得到的奇異吸引子;無序處理器，用于輸出相關度以便從所述奇異吸引子的狀態值的實時分析定量特性;無序反饋控制器，用于把無序處理器輸出的結果反饋給無序系統，從而使無序系統輸出所希望的狀態值。
根據下面結合附圖進行的詳細描述，可更加容易地理解本發明的各種特性和優點。在附圖中

圖1的框圖表示根據本發明第一實施例的無序反饋系統;
圖2的框圖表示根據本發明第二實施例的無序反饋系統;
圖3的框圖表示根據本發明第三實施例的無序反饋系統;
圖4的框圖表示根據本發明第四實施例的無序反饋系統;
圖5的框圖表示根據本發明第五實施例的無序反饋系統;
圖6的框圖表示根據本發明第六實施例的無序反饋系統;
圖7的框圖表示構成本發明的反饋系統的無序處理器;
圖8是時間狀態圖，所描繪的是以輸入給無序處理器的狀態值為例，該無序處理器被用于構成本發明的反饋系統;
圖9表示距離指數和狀態數之間的關系，且描繪了通過無序處理器計算出的相關和，而無序處理器則用于構成本發明反饋系統。
圖1是表示根據本發明第一實施例的反饋系統。如圖1所示，無序反饋系統包括具有奇異吸引子的無序系統1;無序處理器2，用于通過無序系統1輸出的奇異吸引子狀態值X(n)來分析吸引子的定量特性，并用于輸出相應度;反饋控制部分3，用于把無序處理器2輸出的結果反饋給無序系統1，并用于控制無序系統1以從無序系統1輸出所希望的狀態值X(n)。
反饋控制部分3有兩個目的一個是從無序系統中自然存在的無數種狀態中選出所需的狀態，然后通過對易獲得的系統參數施加以極小的變化來穩定該狀態;另一種是快速控制無序軌跡來獲取希望的狀態。
即，無序處理器2和反饋控制部分3形成一環路。
參見圖7，表示構成本發明反饋系統的無序處理器2。如圖7所示，無序處理器2包括適用于切換無序系統1狀態值Xi的切換單元21，該切換單元隨后將利用所經過的時間進行分析并輸出這些狀態值;狀態值選擇單元22，適于根據嵌入度ED和延遲時間DL選擇切換單元21輸出的狀態值;距離計算單元23，適于根據狀態值選擇單元22選定的兩個狀態值Xi和Xj計算距離Ri并輸出距離Ri。還提供有相關和計算單元24，它適于把距離計算單元23輸出的距離Ri與以前存儲的距離指數dj進行比較，并輸出對應于符合給定距離條件的距離指數的相關和C(r)。無序處理器2還包括拐點識別單元25，用于識別從相關和計算單元24輸出的相關和C(r)的適當拐點;斜率計算單元26，用于計算連接這些拐點的線的斜率并輸出相關度DC;控制單元27，用于根據輸入時鐘CLK、啟動信號EN、嵌入度ED及延遲時間DL來控制開關單元21、狀態值選擇單元22、距離計算單元23、相關和計算單元24及識別單元25。
狀態值選擇單元22包括一對寄存器。一個設定單元28與識別單元25的另一輸入端相連，以把外界來的最佳拐點輸入給識別單元25。
現在結合附圖，描述根據本發明的無序反饋系統的運行。
當無序系統1接收狀態時，它從輸入狀態IN導出一奇異吸引子。導出的奇異吸引子被饋給無序處理器2。
無序處理器2計算表示輸入的奇異吸引子的定量特性的相關度Y(n)。算出的相關度Y(n)被加到反饋控制部分3;接頭改變在無序系統1中執行的傳遞函數F(n)或系統1中接收的狀態，以獲得所需的輸出值OUT。
下文，將結合圖7至9，描述本發明的無序反饋系統中所用的無序處理器的運行。
首先，將以嵌入度ED＝1和延遲時間DL＝τ＝t為例來進行描述。
當無序處理器2接收到有奇異吸引子的無序系統1的狀態時，輸入狀態X(n)通過按照發自控制單元27的控制信號進行切換的切換單元21而被施加給狀態選擇單元22。
設輸入狀態X(n)的初始值為X(to)，初始狀態值X(to)經切換單元21被饋給狀態選擇單元22。在每一延遲時間τ連續輸入的狀態值經切換單元21被施加給狀態選擇單元22。
即，初始狀態值X(to)先被輸入到狀態選擇單元22。然后，狀態選擇單元22在延遲時間to+△t接收狀態值X(to+△t)。狀態值X(to)和X(to+△t)隨后根據來自控制單元27的控制信號被提供給距離計算單元23。
在預定時間距離計算單元23把輸入的狀態值X(to)和X(to+△t)存入其自身的寄存器，然后在經過一段時間之后將它們作為狀態值輸出，如圖8所示。
隨著所輸出的狀態值X(to)和X(to+△t)，距離計算單元23計算出兩個狀態值X(to)和X(to+△t)之間的距離。此時，嵌入度為1且延遲時間τ為△t。因此，距離R1可由下列方程運算中得到R1=［X(t0)-X(to+△t)2]]>計算出的距離被提供給相關和計算單元24，單元24隨后把輸入的距離R1與先前存儲的距離指數di相比較，并且當滿足條件R1＞di時將距離指數di加1，從而獲得增加的距離指數dj.。
即，增加的距離指數dj滿足下列方程(2)
dj＝di+1……(2)其中i＜j上述步驟在延遲時間△t執行。切換單元21提供在下一延遲時間2△t其接收的狀態值X(to+2△t)。根據輸入的狀態值X(to+2△t)及初始狀態值X(to)，距離計算單元23輸出兩個狀態值之間的距離R2。
輸出的距離R2經相關和計算單元24與先前存儲的距離指數dj相比較。當比較的結果滿足條件R2＞dj時，距離指數dj被增加。
對隨延遲時間的推移而接收的所有狀態值重復上述過程。當出現在具有對應于增大距離指數的直徑的圓周上的狀態的數目Ndj達到預定的最終數Dmax時，沒有輸入狀態值提供給狀態值選擇單元22上。
即，在通過相關和計算單元24而確定出現在對應于距離指數dj的直徑的圓周上的狀態數Ndj達到最終數目Max情況下，來自控制單元27的控制信號被施加到切換單元21上，用以切換切換單元21。通過切換單元21的切換操作，關閉了向狀態值選擇單元22的狀態值提供。
同時，識別單元25從控制單元27接收控制信號，并在表示Ndj狀態數的圖中選擇具有適當拐點的距離指數di和dj，圖中表示的Ndj出現在具有對應所輸入距離指數的直徑的圓周之中。此圖示于圖9中。
可將先前在識別單元25中設定的拐點作為距離指數di和dj予以選擇，用戶也可從外部經設定單元28設定拐點。
在距離指數已事先經識別單元25設定時，為導出拐點，從可選擇的距離指數di和dj選擇距離指數。從連接選定距離指數和其他距離指數的線上尋找滿足最小距離的距離指數。一旦找到該距離指數，便執行把找到的距離指數設定為拐點的過程，以確定適當的拐點。當距離指數由設定單元28確定時，從外部確定待分析的動態系統中經實驗所預定的最佳拐點。
如上確定的拐點被饋給斜率計算單元26。在那里由表示距離指數的d軸和表示呈現在直徑等于距離指數的圓周上的狀態值數Nd軸構成X-Y坐標平面;斜率計算單元26計算從增加的狀態值數得到的斜率。
此時，斜率用下列方程式(3)計算斜率＝(1/N))(log(Ndj)-log(Ndi)/(log(dj)-log(di))……(3)算出的斜率是無序系統1的相關度，即無序處理器2的最終輸出Y(n)。
在假設嵌入度ED為1且延遲時間DL為t的基礎上獲得的無序系統相關度，則按照逐點法稱為相關度。
當嵌入度ED及延遲時間DL分別假設為n和t+p，且采用n階無序系統時，狀態值選擇單元22經切換單元21在時間(n-1)p△t內在時間to點輸出狀態值Xi。
狀態值可用下式表示Xi＝[X(to)，X(to+p△t)，…，X(to+np△t)]而且，在時間to+△t的狀態值Xj可由下列方程式表達Xj＝[X(to+△t，X(to+(p+1)△t)，…，X(to+np△t)]從上述狀態值算出的距離值R1是[Xj-Xi]2。根據此算出的距離，可用相關計算單元24、識別單元25、斜率計算單元26、及控制單元27獲得相關度Y(n)。相關度Y(n)是指按照一種完整的方法的一種相關度。
來自無序處理器2的相關度Y(n)被饋給反饋控制部分3，然后將輸入的相關度與所希望的相關度進行比較，并根據比較結果改變無序系統1接收的狀態，從而獲得所需的輸出值OUT。
圖2表示根據本發明第二實施例的無序反饋系統。在此實施例中，無序系統1和反饋控制部分3之間連有多個無序處理器2A1至2An，以便并行地處理輸入狀態值。
第二實施例的無序系統1及反饋控制部分3以與圖1所示的第一實施例相同的方式運行。來自無序系統1的狀態值X(n)被饋給所有無序處理器2A1至2An。無序處理器2A1至2An有不同的嵌入度及不同的延遲時間，并用于導出各自的相關度Y1(n)至Yn(n)并將其饋至反饋控制單元3。
圖3是表示本發明第三實施例的無序反饋系統。在此實施例中，多個反饋控制部分3A1至3An分別連到并聯的無序處理器2A1至3An分另連到并聯的無序處理器2A1至2An的輸出端，以便把各個無序處理器2A1至2An輸出的最終輸出值Y1(n)至Yn(n)反饋給無序系統1。
第三實施例的無序系統1與圖1所示的第一實施例的運行方式相同。無序處理器2A1至2An的工作方式與圖2所示的第二實施例的運行方式相同。來自各個無序處理器2A1至2An的相關輸出Y1(n)至Yn(n)被饋給相應的反饋控制部分3A1至3An。
在反饋控制部分3A1至3An分別從無序處理器2A1至2An接收相關度Y1(n)至Yn(n)時，它們改變無序系統1中執行的傳遞函數F(n)或無序系統1接收的輸入狀態值IN，從而獲得所希望的輸出值OUT。
圖4表示根據本發明第四實施例的無序反饋系統。在此實施例中，反饋控制部分3接收無序系統1輸出的輸入狀態X(n)及無序處理器2輸出的最后輸出Y(n)，以便使無序系統1根據狀態X(n)輸出所需的狀態。第四實施例的無序系統1和無序處理器2的運行方式與圖1所示的第一實施例相同。
在收到無序系統1輸出的輸入狀態X(n)和無序處理器2輸出的最后輸出Y(n)時，反饋控制部分3，根據無序處理器2輸出的相關度，調節無序處理器2接收的狀態值X(n)。來自反饋控制部分3調節的狀態值被饋至無序系統1。
即，根據第四實施例的反饋系統，以無序系統1輸出的狀態值X(n)和無序處理器2輸出的相關度Y(n)作為其輸入進行運行。使用這些狀態值X(n)和相關度Y(n)，該反饋系統周期地運行以檢查無序系統1的輸出或僅在反饋控制部分3需要其運行時運行。
圖5表示根據本發明第五實施例的無序反饋系統。在此實施例中，無序處理器2由n個無序處理器2A1至2An構成，且反饋控制部分3被構造來接收無序系統1輸出的輸入狀態X(n)和n個無序處理器2A1至2An輸出的最終輸出Y1(n)至Yn(n)，以便無序系統1輸出所希望的狀態。第五實施例的無序系統1具有與圖1所示的第一實施例的相同的結構。
第五實施例的無序系統1和反饋控制部分3的運行方式與圖4所示的第四實施例的相同。來自無序系統1的狀態值X(n)被饋給所有的無序處理器2A1至2An。無序處理器2A1至2An具有不同的嵌入度和不同的延遲時間并導出各自的相關度并將其反饋給反饋控制部分3。
圖6表示根據本發明第六實施例的無序反饋系統。在此實施例中，無序處理器2由n個無序處理器2A1至2An構成，且反饋控制部分3由n個連到相應的無序處理器2A1至2An的輸出端的反饋控制部分3A1至3An構成。反饋控制部分3A1至2An分別接收無序系統1輸出的輸入狀態X(n)和最終輸出自n個無序處理器2A1至2An的輸出Y1(n)至Yn(n)，以便無序系統1輸出所希望的狀態。第六實施例的無序系統1具有與圖1所示的第一實施例相同的結構。
無序系統1的運行方式與圖4所示的第四實施例的相同。無序處理器2A1至2An的運行方式與圖5的第五實施例的相同。從無序處理器2A1至2An輸出的相關度Y1(n)至Yn(n)和輸入給無序處理器2A1至2An的狀態值X(n)被饋給相應的反饋控制部分3A1至3An。
反饋控制部分3A1至3An在分別接收相關度Y1(n)至Yn(n)及狀態值X(n)時，它們改變無序系統1中的傳遞函數F(n)或無序系統1接收的輸入狀態值IN，以使無序系統1輸出所希望的輸出值OUT。
由上述可見，本發明提供了一種反饋系統，它能根據用于分析無序系統的奇異吸引子定性特性的相關度，改變其執行在無序系統中的傳遞函數或改變無序系統實時地接收的輸入狀態值，以使無序系統輸出所希望的狀態值。
盡管為了說明的目的，公布了本發明的最佳實施例，本領域的人員應理解的是，在不脫離所附權利要求書所公布的本發明范圍和精神的前提下，對技藝上的技巧可進行多種修改、追加和替換。
權利要求
1.一種無序反饋系統，包括用于從輸入狀態導出穩定狀態解的無序系統，所述無序系統具有從所述穩定狀態解得到的奇異吸引子；無序處理裝置，用于輸出相關度，以從所述奇異吸引子的狀態值實時地分析定量特性；無序反饋控制裝置，用于把所述無序處理裝置的輸出結果反饋給無序系統以使無序系統輸出所希望的狀態值。
2.根據權利要求1無序反饋系統，其中所述無序處理器裝置包括用于以不同嵌入度的輸入和不同延遲時間的輸入的狀態值分別導出相關度的多個無序處理器。
3.根據權利要求2的無序反饋系統，其中所述無序反饋控制器包括用于分別從所述的無序處理器接收所述的相關度的多個反饋控制部分，以便所述無序系統輸出所希望的狀態值。
4.根據權利要求1的無序反饋系統，其中所述無序反饋控制器適于從所述無序處理器裝置接收所述的相關度并從所述無序系統接收所述狀態值，并根據相關度將無序系統輸出的狀態值改變成所希望的狀態值。
5.根據權利要求2的無序反饋系統，其中所述無序反饋控制器裝置適于從所述無序處理器接收以不同嵌入度和不同延遲時間輸入的各狀態值的相關度，并從所述無序系統接收所述狀態值，并把從無序系統輸出的狀態值改變成所希望的狀態值。
6.根據權利要求5的無序反饋系統，其中所述無序反饋控制器裝置包括多個反饋控制部分，這些部分用于從所述無序處理器接收相應的所述相關度并從所述無序系統中接收相應的所述值作為輸入。
全文摘要
一種包括無序系統的無序反饋系統，能通過分析奇異吸引子的定性特性來分析輸入信號是來自噪聲還是來自有意義的信息，并將結果反饋到無序系統使之輸出所需狀態。該系統包括用于從輸入狀態導出穩態解的無序系統，無序處理器，用于輸出相關度以從奇異吸引子的狀態值實時分析定量特性；無序反饋控制器部分，用于把無序處理器輸出的結果反饋到無序系統，以使無序系統輸出所需狀態值。
文檔編號G05B5/01GK1096604SQ9311788
公開日1994年12月21日 申請日期1993年9月22日 優先權日1993年6月19日
發明者王普賢, 金仁澤, 盧永薰 申請人:株式會社金星社