оптоэлектронный нечеткий процессор
Классы МПК: | G06F3/00 Вводные устройства для передачи данных, подлежащих преобразованию в форму, пригодную для обработки в вычислительной машине; выводные устройства для передачи данных из устройств обработки в устройства вывода, например интерфейсы |
Автор(ы): | Аллес Михаил Александрович (RU), Соколов Сергей Викторович (RU), Ковалев Сергей Михайлович (RU) |
Патентообладатель(и): | Аллес Михаил Александрович (RU), Соколов Сергей Викторович (RU), Ковалев Сергей Михайлович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-11-09 публикация патента:
20.03.2012 |
Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет возможности выполнять в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности. Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит: оптоэлектронный дефаззификатор; m×n оптоэлектронных блоков фаззификации; m селекторов минимального сигнала; m оптоэлектронных блоков активизации; оптоэлектронный блок аккумуляции; j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), каждый из которых содержит источник излучения; электрооптический дефлектор; группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов; линейный оптический транспарант; оптический r-входной объединитель и связи между ними. 4 ил., 1 прилож.
Формула изобретения
Оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, отличающийся тем, что в него введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого a-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к a-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (a=1, 2, , r, i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен kj-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, , m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, , m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, , m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, , m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, , m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, , m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, , m; b=1, 2, , s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации, построенных на основе нечеткой логики.
Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2009124196 от 24.06.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], выполняющий операцию фаззификации и содержащий источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, оптический трехвыходной разветвитель, три оптических n-выходных разветвителя, второй оптический транспарант, две группы n пар оптически связанных волноводов, две группы n фотоприемников, две группы n пьезоэлементов, оптический дифференциатор, группу оптических Y-объединителей, селектор минимального сигнала.
Существенные признаки аналога, общие с заявляемым устройством, следующие: источник когерентного излучения, оптический транспарант, оптические Y-разветвители, селектор минимального сигнала, оптический разветвитель.
Недостатками вышеописанного аналога являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.
Известно оптическое нечеткое устройство - оптоэлектронный дефаззификатор [Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], принятый за прототип. Оптоэлектронный дефаззификатор выполняет операцию фаззификации и содержит две последовательно расположенные системы преобразования Фурье и пространственный операционный фильтр, образующие оптический неопределенный интегратор, источник когерентного излучения, первый линейный оптический транспарант, группу оптических Y-разветвителей, оптический определенный интегратор, второй линейный оптический транспарант, оптический фазовый модулятор, оптический n-выходной разветвитель, группу оптических Y-объединителей, группу фотоприемников, группу нуль-индикаторов, шифратор.
Прототип является существенным признаком заявляемого изобретения.
Недостатками вышеописанного прототипа являются высокая сложность и невозможность выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода.
Задачей изобретения является создание оптического устройства, предназначенного для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном упрощении конструкции и увеличении вычислительной производительности до 105-106 операций в секунду.
Технический результат выражается в расширении возможностей устройства - создание устройства, выполняющего в режиме реального времени этапы нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани при одновременном увеличении вычислительной производительности.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптоэлектронный нечеткий процессор, содержащий оптоэлектронный дефаззификатор, введены m×n оптоэлектронных блоков фаззификации, m селекторов минимального сигнала, m оптоэлектронных блоков активизации, оптоэлектронный блок аккумуляции, j-м входом оптоэлектронного нечеткого процессора являются объединенные входы ij-х оптоэлектронных блоков фаззификации (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), каждый из которых содержит источник излучения, электрооптический дефлектор, группу r равноудаленных от выхода электрооптического дефлектора оптических волноводов, линейный оптический транспарант, оптический r-входной объединитель, входом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации является управляющий вход электрооптического дефлектора (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), к информационному входу которого подключен выход источника излучения, выход электрооптического дефлектора оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов, выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода подключен через линейный оптический транспарант к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го оптоэлектронного блока фаззификации (а=1, 2, , r, i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), выход ij-го оптоэлектронного блока фаззификации подключен к j-му входу i-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n), выход которого подключен ко входу i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, , m), который содержит управляемый источник оптического излучения, первый и второй оптические s-выходные разветвители, источник излучения, линейный оптический транспарант, s селекторов минимального сигналов, входом блока является управляющий вход управляемого источника оптического излучения, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя подключен к первому входу соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, s), выход источника излучения 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему входу линейного оптического транспаранта (b=1, 2, s), каждый b-й выход линейного оптического транспаранта оптически связан со вторым входом соответствующего b-го селектора минимального сигнала (b=1, 2, s), выходы s селекторов минимального сигналов являются выходом i-го оптоэлектронного блока активизации (i=1, 2, , m), выход i-го оптоэлектронного блока активизации подключен к i-му входу оптоэлектронного блока аккумуляции (i=1, 2, , m), который содержит источник когерентного излучения, оптический m-выходной разветвитель, m оптических Y-разветвителей, m оптических фазовых модуляторов, первую и вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей, m управляемых оптических транспарантов, m групп по s оптических Y-объединителей, s селекторов минимального сигналов, s блоков извлечения квадратного корня, s блоков вычитания, входами блока являются входы управляемых оптических транспарантов, выход источника когерентного излучения подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя (i=1, 2, , m), первый выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, , m), второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко входу i-го оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей (i=1, 2, , m), выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены к соответствующим входам i-го управляемого оптического транспаранта, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m), выходы 2i-го оптического s-выходного разветвителя из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m), выход ib-го оптического Y-объединителя подключен к i-му входу b-го селектора минимального сигнала (i=1, 2, , m; b=1, 2,, , s), выходы s селекторов минимального сигналов подключены ко входам соответствующих s блоков извлечения квадратного корня, выходы s блоков извлечения квадратного корня подключены ко входам соответствующих s блоков вычитания, выходы которых являются выходом оптоэлектронного блока аккумуляции, выход оптоэлектронного блока аккумуляции подключен ко входу оптоэлектронного дефаззификатора, выход которого является выходом устройства.
Оптоэлектронный нечеткий процессор - устройство, предназначенное для выполнения в режиме реального времени этапов нечеткого-логического вывода по алгоритму Мамдани [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.].
Функционирование оптоэлектронного нечеткого процессора представляет собой процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС). При выполнении алгоритма нечеткого-логического вывода Мамдани база продукционных правил в общем случае представлена MISO-структурой (multi-in, single-out), причем для построения и реализации оптоэлектронного нечеткого процессора должна быть дана полная, строго определенная и непротиворечивая база правил (смотри приложение 1) в соответствии с решением какой-либо конкретной прикладной задачи.
Алгоритм нечетко-логического вывода Мамдани включает в себя пять основных этапов [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. / А.В.Леоненков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.]:
1. Фаззификация - этап «введения нечеткости», процесс получения значения функции принадлежности нечеткого множества Аij,.соответствующего значению j-й входной переменной хj в предпосылке i-го нечеткого продукционного правила НПС (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n); степень истинности нечеткого высказывания «х j есть Аij» определяется значением функции принадлежности по аргументу хj;
2. Агрегирование - процесс определения степени истинности условия (антецедента) i в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, , m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям «хj есть Аij»:
3. Активизация - процесс определения модифицированных функций принадлежностей выходной переменной y в заключении (консеквенте) каждого i-го правила НПС. В алгоритме Мамдани модификация функций принадлежностей выходной переменной y осуществляется на основе min-активизации: (i=1, 2, , m);
4. Аккумуляция - процесс определения результирующей функции принадлежности µ (y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств по каждому i-му правилу НПС (i=1, 2, , m). В алгоритме Мамдани процесс объединения функций принадлежностей выходной переменной y по каждому i-му правилу НПС осуществляется с использованием операции max-дизъюнкции: , (i=1, 2, , m);
5. Дефаззификация - этап «приведения к четкости» или процесс определения четкого значения выходной у переменной НПС. В заявляемом устройстве при реализации алгоритма нечеткого вывода Мамдани используется дефаззификация по методу медианы:
где - Ymax, Ymin соответственно наименьшее и наибольшее значения аргумента функции µ (y) из области ее определения на базовой шкале OY.
Функциональная схема оптоэлектронного нечеткого процессора (ОЭНП) показана на фигуре 1.
Оптоэлектронный нечеткий процессор содержит:
- 111, 121 , , 11n; 112, 122, , 12n; , 1m1, 1m2, , 1mn - m групп по n оптоэлектронных блоков фаззификации (ОЭБФ);
- 21, 22 , , 2m - m селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала / Соколов С.В. и др.];
- 31, 32, , 3m - m оптоэлектронных блоков активизации (ОЭБАк);
- 4 - оптоэлектронный блок аккумуляции (ОЭБАкк);
- 5 - оптоэлектронный дефаззификатор (ОЭДФ), который может быть реализован в виде ОЭДФ, описанного в [Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.].
Оптоэлектронный нечеткий процессор имеет n входов, то есть число входов равно количеству входных переменных НПС. Каждый j-й вход устройства подключен ко входу каждого ij-го ОЭБФ 1ij (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n).
Выход ij-го ОЭБФ 1ij подключен к j-му входу i-гo CMC 2i (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n).
Выход i-гo CMC 2i подключен ко входу каждого i-гo ОЭБАк 3i (i=1, 2, , m).
Выход каждого i-гo ОЭБАк 3i подключен к i-му входу ОЭБАкк 4 (i=1, 2, , m).
Выход ОЭБАкк 4 подключен ко входу ОЭДФ 5, выход которого является выходом устройства.
Функциональная схема ij-го ОЭБФ 1ij показана на фигуре 2.
Оптоэлектронный блок фаззификации содержит:
- 6 - источник излучения (ИИ) с интенсивностью 1 усл.ед.;
- 7 - электрооптический дефлектор (ЭОД);
- 81, 82, , 8r - группу r равноудаленных от выхода ЭОД 7 оптических волноводов;
- 9 - линейный оптический транспарант (ЛОТ) с функцией пропускания, равной ;
- 10 - оптический r-входной объединитель.
Входом ij-го ОЭБФ 1ij является управляющий вход ЭОД 7, к информационному входу которого подключен выход ИИ 6. Выход ЭОД 7 оптически подключен ко входам равноудаленных оптических волноводов 81, 82, , 8r. Выход каждого а-го равноудаленного оптического волновода 8а подключен через ЛОТ 9 к а-му входу оптического r-входного объединителя, выход которого является выходом ij-го ОЭБФ 1ij (а=1, 2, , r).
Функциональная схема i-го ОЭБАк 3 i показана на фигуре 3.
Оптоэлектронный блок активизации содержит:
- 11 - управляемый источник оптического излучения (УИИ) с линейное передаточной характеристикой и коэффициентом передачи, равным s усл.ед. (под коэффициентом передачи понимается отношение величины интенсивности светового потока на выходе УИИ к величине электрического сигнала на его входе);
- 121 и 122 - первый и второй оптические s-выходные разветвители;
- 13 - ИИ с интенсивностью s усл.ед.;
- 14 - ЛОТ с функцией пропускания, равной ;
- 151, 152, , 15s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];
Входом i-го ОЭБАк 3i является управляющий вход УИИ 11, выход которого оптически связан со входом первого оптического s-выходного разветвителя 121. Каждый b-й выход первого оптического s-выходного разветвителя 121 подключен к первому входу соответствующего b-гo CMC 15b (b=1, 2, s). Выход ИИ 13 подключен ко входу второго оптического s-выходного разветвителя 122, каждый b-й выход которого подключен к соответствующему b-му входу ЛОТ 14 (b=1, 2, s). Каждый b-й выход ЛОТ 14 подключен ко второму входу соответствующего b-гo CMC 15b (b=1, 2, s). Выходы CMC 151, 152, , 15s являются выходом i-го ОЭБАк 3i .
Функциональная схема ОЭБАкк 4 показана на фигуре 4.
Оптоэлектронный блок аккумуляции содержит:
- 16 - источник когерентного излучения (ИКИ) с амплитудой 2×m×s усл.ед.;
- 17 - оптический m-выходной разветвитель;
- 181, 182 , , 18m - m оптических Y-разветвителей;
- 191, 192, , 19m - m оптических фазовых модуляторов (ОФМ), каждый осуществляет сдвиг фазы поступающего на его вход оптического потока на угол ;
- 2011, 2012, , 201m - первую группу по m оптических s-выходных разветвителей;
- 2021, 2022 , , 202m - вторую группу по m оптических s-выходных разветвителей;
- 211, 212 , , 21m - m управляемых оптических транспарантов (УОТ), которые могут быть выполнены в виде электрически управляемых транспарантов, описанных в [Акаев А.А. Оптические методы обработки информации. / А.А.Акаев, С.А.Майоров. - M.: Высшая школа, 1988. - 236 с, страница 75 79, рисунок 3.8, 3.9];
- 2211 , 2212, , 221s, 2221, 2222, , 222s, , 22m1, 22m2, , 22ms - m групп по s оптических Y-объединителей;
- 231, 232, , 23s - s селекторов минимального сигналов (CMC), которые могут быть выполнены в виде CMC, описанного [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.];
- 241, 242, 24s - s блоков извлечения квадратного корня (БИК), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д];
- 251, 252, 25s - s блоков вычитания (БВ), которые могут быть выполнены, например, в виде блоков, описанных в [Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. / Ж.Марше. - Л.: Издательство «Энергия», 1974. - 216 с. - стр.62, 63, 64, рисунки 5.10, 5.13].
Входами ОЭБАкк 4 являются входы УОТ 211, 212, , 21m. Выход ИКИ 16 подключен ко входу оптического m-выходного разветвителя 17, каждый i-й выход которого подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя 18i (i=1, 2, , m). Первый выход i-го оптического Y-разветвителя 18 i подключен ко входу 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 2011, 2012, , 201m (i=1, 2, , m). Второй выход i-го оптического Y-разветвителя 18 i подключен ко входу i-го ОФМ, выход которого подключен ко входу 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i ; из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 20 21, 2022, , 202m (i=1, 2, , m). Выходы 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i из первой группы по m оптических s-выходных разветвителей 2011, 2012, , 201m подключены к соответствующим входам i-го УОТ 21i, выходы которого подключены к первым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22i1, 22 i2, , 22is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m). Выходы 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i из второй группы по m оптических s-выходных разветвителей 2021, 2022, , 202m подключены ко вторым входам соответствующих оптических Y-объединителей 22i1, 22i2, , 22is i-й группы по s оптических Y-объединителей (i=1, 2, , m). Выход ib-го оптического Y-объединителя 22ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23b (i=1, 2, , m; b=1, 2,, , s). Выходы CMC 231, 232, , 23s подключены ко входам соответствующих БИК 241, 242, , 24s. Выходы БИК 241, 242 , , 24s подключены ко входам соответствующих БВ 251, 252, , 25s, выходы которых являются выходом ОЭБАкк 4.
Работа оптоэлектронного нечеткого процессора происходит в соответствии с пятью вышеуказанными этапами нечетко-логического вывода Мамдани и протекает следующим образом.
Первым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап фаззификации. При этом на вход устройства подаются значения входных переменных НПС x1, x2, , xn в виде электрических сигналов напряжения (тока). Каждый такой j-й сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной xj, поступает на вход ij-го ОБФ 1ij (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n).
Работа ij-го ОБФ 1ij протекает следующим образом. На информационный вход ЭОД 7 с выхода ИИ 6 постоянно поступает точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. При отсутствии сигнала на управляющем входе ЭОД 7 (то есть на входе ОЭБФ) оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед., пройдя с информационного входа на выход ЭОД 7, не попадает ни на один из входов равноудаленных оптических волноводов 81, 82, , 8r и поглощается. При поступлении на управляющий вход ЭОД 7 электрического сигнала, пропорционального значению j-й входной переменной xj, этот электрический сигнал отклоняет точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. на угол ~arcsin(k·xj), где k - коэффициент, определяемый типом дефлектора. Смещение х точечного оптического потока относительно оси ОХ при этом равно:
х=L·sin( )=a·k·xj,
где L - расстояние от выхода ЭОД 7 до входа любого оптического волновода из группы равноудаленных оптических волноводов 81, 82 , , 8r.
Так как входы оптических волноводов 81, 82, , 8r равноудалены от выхода ЭОД 7, то L=const и, следовательно:
х=L·k·xj=К·xj.
Следовательно, точечный оптический поток с интенсивностью 1 усл.ед. попадет на вход а-го равноудаленного оптического волновода 8а (а=1, 2, r), если на входе ЭОД 7 присутствует электрический сигнал, пропорциональный значению j-й входной переменной xj .
Далее оптический точечный поток с интенсивностью 1 усл.ед. с выхода а-го равноудаленного оптического волновода 8а (а=1, 2, r) поступает на а-й вход ЛОТ 9, с а-го выхода которого снимается точечный оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности нечеткого множества Аij, соответствующей j-й входной переменной xj. Этот оптический поток поступает на а-й вход оптического r-входного объединителя, с выхода которого снимается оптический поток с интенсивностью, пропорциональной значению функции принадлежности нечеткого множества Аij, соответствующей j-й входной переменной хj. На этом первый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора завершается.
На втором этапе функционирования устройства выполняется этап агрегирования, результатом которого будет определение степени истинности антецедента i в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, , m). В алгоритме нечеткого вывода Мамдани степень истинности антецедента i в i-м правиле определяется при помощи операции min-конъюнкции по всем нечетким высказываниям « есть Аij»: , (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n). Вычисление значения i в i-м правиле осуществляет i-й CMC 2i , работа которого описана в [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.]. На каждый j-й вход i-гo CMC 2i с выхода ij-го ОБФ 1ij подается сигнал в виде напряжения со значением, пропорциональным . На выходе i-гo CMC 2i формируется сигнал в виде напряжения (тока), пропорционального значению i. На этом завершается второй этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.
Третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап активизации правил НПС. Процесс определения модифицированных функций принадлежности выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС в алгоритме Мамдани осуществляется на основе min-активизации: , (i=1, 2, , m). Для выходной переменной y в консеквенте каждого i-го правила НПС модифицированная функция принадлежности определяется i-м ОЭБАк 3i (i=1, 2, , n). Работа i-го ОЭБАк 3i происходит следующим образом. При поступлении на управляющий вход УИИ 11 сигнала от CMC 2i в виде электрического напряжения (тока) величиной, пропорциональной i усл.ед. (что соответствует степени истинности условия (антецедента), в каждом i-м правиле НПС (i=1, 2, , m)) УИИ 11 на своем выходе формирует оптический поток с интенсивностью, равной i×s усл.ед., который поступает на вход первого оптического s-выходного разветвителя 121, на каждом выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, равной i усл.ед. Совокупность из s таких оптических потоков поступает на первые входы CMC 151, 15 2, , 15s. Одновременно, с выхода ИИ 13 оптический поток с интенсивностью s усл.ед. поступает на вход второго оптического s-выходного разветвителя 122, на каждом выходе которого формируется оптический поток единичной интенсивности. Совокупность этих единичных оптических потоков поступает на входы ЛОТ 14, на выходе которого формируется оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной , то есть равной функции принадлежности терма выходной переменной y в i-м правиле НПС (i=1, 2, , m). Этот оптический поток с интенсивностью, распределенной вдоль оси OY и равной , поступает на вторые входы CMC 151, 15 2, , 15s. Работа b-гo CMC описана в [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.] (i=1, 2, , m, b=1,2,, , s). Следовательно, на выходах CMC 151, 15 2, , 15s формируется s электрических сигналов: на выходе ib-гo CMC 15ib формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна , то есть значению функции принадлежности для конкретного b-го значения выходной переменной y (i=1, 2, , m, b=1,2,, , s). Совокупность этих сигналов в виде вектора электрических сигналов напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной , поступает с выхода i-го ОЭБАк 3i на i-й вход ОЭБАкк 4. На этом завершается третий этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора.
Четвертый этап работы оптоэлектронного нечеткого процессора - этап аккумуляции, то есть процесс определения результирующей функции принадлежности µ (y) выходной переменной y путем объединения (max-дизъюнкция) модифицированных нечетких множеств по каждому i-му правилу НПС (i=1, 2, , m). В алгоритме Мамдани процесс объединения функций принадлежностей выходной переменной y по каждому i-му правилу НПС осуществляется с использованием операции max-дизъюнкции: (i=1, 2, , m). Этап аккумуляции осуществляет ОЭБАкк 4, который функционирует следующим образом. На входы ОЭБАкк 4 с выходов ОЭБАк 31 ,32, , 3m подаются модифицированные функции принадлежности в виде совокупности электрических сигналов напряжений, величинами, распределенных вдоль оси OY и пропорциональных . При этом на i-м входе ОЭБАкк i-й входной сигнал в виде электрического напряжения, величиной, распределенной вдоль оси OY и пропорциональной , поступает на входы i-го УОТ 21i. Одновременно, с выхода ИКИ 16 оптический когерентный поток с амплитудой 2×m×s усл.ед. поступает на вход оптического m-выходного разветвителя 17, на каждом i-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой, равной 2×s усл.ед. (i=1, 2, , m). Такой оптический поток поступает на вход i-го оптического Y-разветвителя 18i. С первого выхода последнего оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 1i-го оптического s-выходного разветвителя 201i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s). Следовательно, на каждый b-й вход i-го УОТ 21 i поступает оптический поток с амплитудой 1 усл.ед., и, с учетом того, что на b-й управляющий вход i-го УОТ 21i поступает управляющий электрический сигнал напряжения величиной, пропорциональной , то на b-м выходе i-го УОТ 21i формируется оптический поток с амплитудой, равной (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s). Этот оптический поток поступает на первый вход ib-го оптического Y-объединителя 22ib (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s). Также, со второго выхода i-го оптического Y-разветвителя 18i оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход i-го ОФМ 19i, который поворачивает фазу поступающего оптического потока на угол (i=1, 2, , m). Далее, этот инвертированный оптический поток с амплитудой s усл.ед. поступает на вход 2i-гo оптического s-выходного разветвителя 202i, на каждом b-м выходе которого формируется оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s). Каждый такой i-й инвертированный единичный поток поступает на второй вход ib-го оптического Y-объединителя 22 ib (i=1, 2,, , m, b=1, 2,, , s).
Следовательно, на первом входе ib-го оптического Y-объединителя 22ib присутствует оптический поток с амплитудой , а на втором входе - оптический поток с амплитудой 1 усл.ед. с инвертированной фазой (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s).
Так как выход ib-го оптического Y-объединителя 22ib подключен к i-му входу b-гo CMC 23b , то на i-м входе последнего поступающие с выхода ib-го оптического Y-объединителя 22ib оптические потоки, интерферируя, формируют оптический поток с интенсивностью усл.ед. (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s).
Работа b-гo CMC 23b описана в [а.с. № 1223259, СССР, 1986. Селектор минимального сигнала. / Соколов С.В. и др.].
Таким образом, с выхода b-гo CMC 23b снимается сигнал в виде электрического напряжения, величина которого пропорциональна (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s).
Для последующего описания работы устройства следует иметь в виду, что в силу неравенства (по определению ), минимум значения функции определен для того же значения аргумента уb , что и максимум , (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s).
Выходной сигнал b-гo CMC 23b поступает на вход b-гo БИК 24b, работа которого описана в [Бобровников Л.З. Электроника. Учебник для вузов. 5-е изд. / Л.З.Бобровников. - СПб.: Изд-во «Питер», 2004. - 560 с. - стр.247, рисунок 3.44, д] (i=1, 2, , m, b=1, 2,, , s).
С выхода b-гo БИК 24b сигнал, пропорциональный минимальному (для всех b) сигналу , поступает на вход b-гo БВ 25b, в котором поступивший сигнал вычитается из единицы (b=1, 2,, , s). Таким образом, на выходе b-гo БВ 25b формируется электрический сигнал в виде напряжения, величина которого пропорциональна
для конкретного значения уb (b=1, 2,, , s).
Следовательно, на выходах всех БВ 251, 252, 25b - на выходе ОЭБАкк 4, формируется вектор электрических сигналов с напряжениями, распределенными по оси ОХ и пропорциональными функции принадлежности µ (yb), соответствующей результату этапа аккумуляции. На этом четвертый этап работы ОЭНП завершается.
Пятым этапом работы оптоэлектронного нечеткого процессора является этап дефаззификации, который выполняет ОЭДФ 5, работа которого описана в [Положительное решение о выдаче патента по заявке № 2009112100 от 27.05.2010. Оптоэлектронный дефаззификатор. / Курейчик В.М. и др.], осуществляющий процесс определения четкого значения выходной у в соответствии с выражением (1). При этом на выходе ОЭДФ 5 формируется двоичное число, соответствующее значению (номеру) четкого значения на базовой шкале OY выходной переменной y из условия, что является результатом нечетко-логического вывода по алгоритму Мамдани, реализованного в виде НПС, описанной в приложении 1.
Таким образом, ОЭНП осуществляет процесс функционирования нечеткой продукционной системы (НПС) при выполнении алгоритма нечетко-логического вывода Мамдани с MISO-структурой.
Быстродействие оптоэлектронного нечеткого процессора определяется динамическими характеристиками составляющих его блоков и узлов, в частности:
- электрооптического дефлектора, входящего в состав оптоэлектронного блока фаззификации,
- селекторов минимального сигнала, которые также входят в состав оптоэлектронных блоков активизации и оптоэлектронного блока аккумуляции;
- управляемых источников оптического излучения, входящих в состав оптоэлектронных блоков активизации;
- управляемых оптических транспарантов, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;
- блоков извлечения квадратного корня и блоков вычитания, входящих в состав оптоэлектронного блока аккумуляции;
- оптоэлектронного дефаззифкатора.
Быстродействие электрооптических дефлекторов может достигать 10-12 с. Селектор минимального сигнала, выполненный, например, на лавинных фотодиодах, имеет время срабатывания до 80..100 пс. Управляемые источники оптического излучения, выполненные на основе полупроводниковых источников света, обладают быстродействием порядка 10-9 с. Управляемые оптические транспаранты, изготовленные на основе PLZT-керамики или на основе жидких кристаллов, имеют быстродействием порядка 10-6 с. Блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, выполняемые в традиционном варианте на основе операционных усилителей с обратной связью, имеют частоту среза до 1 МГц. Быстродействие оптоэлектронного дефаззифкатора составляет порядка 10-6 с.
Для существующих непрерывнологических систем обработки информации подобное быстродействие обеспечивает их функционирование практически в реальном масштабе времени.
Приложение 1
База правил нечеткой продукционной системы MISO-структуры
Правило 1: ЕСЛИ х1 есть А11 И х2 есть А12 И И хn есть А1n, ТО y есть В1 ;
Правило 2: ЕСЛИ х1 есть A21 И х2 есть А22 И И xn есть А2n ТО y есть В2 ;
Правило i: ЕСЛИ х1 есть А i1 И х2 есть Аi2 И И xn есть Аin, ТО y есть Вi ;
Правило m: ЕСЛИ х1 есть А m1 И х2 есть Аm2 И И хm есть Аmn, ТО y есть Вm .
где x1, х2, , xn - n входных переменных нечеткой продукционной системы;
Аij - терм j-й входной переменной хj в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности (i=1, 2, , m; j=1, 2, , n);
y - выходная переменная нечеткой продукционной системы;
Вi - терм выходной переменной y в i-м правиле, представленный нечетким множеством с соответствующей функцией принадлежности (i=1, 2, , m).
Класс G06F3/00 Вводные устройства для передачи данных, подлежащих преобразованию в форму, пригодную для обработки в вычислительной машине; выводные устройства для передачи данных из устройств обработки в устройства вывода, например интерфейсы