Теория экспериментов с конечными автоматами

Эксперименты в пространстве обобщенных состояний и с линейными автоматами с запаздыванием

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Эксперименты с линейными автоматами в пространстве обобщенных состояний

Наряду с традиционным понятием состояния ЛА $$\tilde A$$ размерности $$n$$, представляющего собой $$n$$ -мерный вектор, введем понятие обобщенного состояния. С этой целью зафиксируем некоторое целое положительное число $$\mu$$, такое, что $$1 \le \mu n$$, и вектор-столбец

$$\tidle s (t)=\lbrack s_1(t), \dots, s_\mu, \underbrace{x, \dots,x}_{n-\mu раз}}\rbrack' $$

где $$x$$ - символ неопределенности, будем называть обобщенным состоянием (ОС) линейного автомата. Предполагается, что каждый символ неопределенности $$x$$ может принимать любое значение из поля $$GF(p)$$. Таким образом, каждому ОС линейного автомата соответствует некоторое подмножество $$S_n$$ всех состояний ЛА. Далее через $$\tilde {S_{\mu}}$$ будем обозначать пространство обобщенных состояний ЛА. Понятно, что число обобщенных состояний в $$\tilde {S_{\mu}}$$ равно $$p^{\mu}$$.

Вообще говоря, обобщенное состояние ЛА можно определить иначе, например, положив

$$\tilde s(t)=[s_1(t), \dots, s_{i_1-1}(t), \dots, x, s_{i_1+1}(t), \dots, s_{i_{n- \mu -1}}(t_, x, s_{i_{n- \mu +1}}(t), \dots, s_n(t)]' $$

где $$n- \mu$$ штук значений координат $$s_{i_j}(t), j=1, \dots, \mu$$, номера которых выбраны произвольным образом, замещены символом неопределенности $$x$$. Легко показать, что путем подходящих перестановок строк и столбцов характеристических матриц линейный автомат $$\hat A$$ всегда может быть преобразован в такой изоморфный ему ЛА $$\tilde A$$, у которого ОС (12.2) отображается при этом в ОС (12.1). Поэтому для простоты записи, но не теряя при этом общности, примем первый вариант (12.1) определения ОС.

Далее условимся о следующих обозначениях: если $$H$$ есть матрица, то через $$[H]_a$$ обозначим матрицу с $$a$$ штук строками, совпадающими с первыми $$a$$ строками матрицы $$H$$. Аналогичное обозначение используем и для вектора: $$[\bar s]_a$$ - это вектор размерности $$a$$, у которого координаты совпадают с $$a$$ первыми координатами вектора $$\bar s$$.

ЛА с заданной величиной $$\mu$$, определяющей для ЛА пространство обобщенных состояний, условимся обозначать как $$\mu$$ -ЛА.

Введем для $$\mu$$ -ЛА понятие обобщенной диаграммы переходов (ОДП). ОДП для $$\mu$$ -ЛА над полем $$GF(p)$$ назовем ориентированный граф, содержащий $$p^{\mu}$$ вершин, взаимно однозначно соответствующих каждому ОС этого автомата. Две вершины $$\bar a$$ и $$\bar b$$ в ОДП соединяются дугой, ведущей из $$\bar a$$ в $$\bar b$$, помеченной входным символом $$\bat u$$ $$\mu$$ -ЛА, если существуют по крайней мере два таких "традиционных" состояния $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ из $$S_n$$, что $$[s]_{\mu}=\bar a, [s]_{\mu}=\bar b, \tilde s=A\bar s+B\bar u$$.

Отметим различие между "традиционной" диаграммой переходов ЛА [19] и ОДП: в "традиционной" диаграмме каждой ее дуге, помеченной входным символом $$\bar u$$, соответствует единственный выходной символ (реакция ЛА на вход $$\bar u$$ в состоянии $$\bar s$$ ), а в ОДП некоторой дуге может соответствовать несколько выходных символов. Назовем ОДП сильно связной, если в ней для любой пары вершин $$\bar a$$ и $$\bar b$$ существует путь, ведущий из $$\bar a$$ в $$\bar b$$. Соответствующий этой ОДП $$\mu$$ -ЛА будем называть $$\mu$$ -сильно связным.

Понятно, что любому пути в ОДП из $$\bar a$$ в $$\bar b$$ соответствует некоторое входное слово $$\mu$$ -ЛА, возможно не одно, переводящее его из ОС $$\bar a$$ в ОС $$\bar b$$.

По аналогии с [19] $$\mu$$ -ЛА назовем $$k$$ -управляемым, если для любых двух его обобщенных состояний $$\bar a$$ и $$\bar b$$ существует входное слово длины $$k$$, переводящее его из $$\bar a$$ в $$\bar b$$. Очевидно, что $$k$$ -управляемый $$\mu$$ -ЛА является $$\mu$$ -сильно связным.

Теорема 12.1. $$\mu$$ -ЛА является $$\mu$$ -управляемым тогда и только тогда, когда ранг матрицы

$$[L_k]_{\mu}=[A^{k-1}B, A^{k-2}B, \dots, AB,B]_{\mu}$$

равен $$\mu$$.

Доказательство. Пусть $$[\bar s]_{\mu}$$ и $$[\tilde s]_{\mu}$$ - различные произвольные ОС рассматриваемого $$\mu$$ -ЛА. По определению $$k$$ -управляемости существует такая входная последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)$$ длины $$k$$, которая переводит $$\mu$$ -ЛА из $$[\bar s]_{\mu}$$ в $$[\tilde s]_{\mu}$$. Тогда на основании формулы (1.3) можно записать:

$$[\bar s]_{\mu}=[A^k \tilde s+A^{k-1}B\bar u(0)+\dots |AB\bar u(k-2)+B\bar u(k-1)]_{\mu}$$

Отсюда следует, что

$$[\bar s-A^k\tilde s]_{\mu}=[A^{k-1}B\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-2)+b\bar u(k-1)]_{\mu}=\\ =[L_k[\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)]']_{\mu}$$

Поскольку $$\bar s-A^k\tilde s$$ может быть любым $$n$$ -мерным вектором, $$[\bar s-A^k\tilde s]_{\mu}$$ также может быть любым $$\mu$$ -мерным вектором. В силу этого последнее равенство можно записать в виде

$$[L_k \hat u]_{\mu}$$

где $$\hat u=[\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)]'$$, и интерпретировать его как СЛАУ относительно неизвестных, являющихся координатами вектора $$\hat u$$.

Понятно, что существование входной последовательности, переводящей $$\mu$$ -ЛА из произвольного ОС $$[\tilde s]_{\mu}$$ в произвольное ОС $$[\bar s]_{\mu}$$, эквивалентно существованию решений выписанной выше системы при любых правых частях. Из алгебры известно [33], что необходимым и достаточным условием для этого является равенство ранга системы (12.3) величине $$\mu$$. Заметим, что при $$\mu =n$$, где $$n$$ - размерность ЛА, $$\mu$$ -сильно связность совпадает с общепринятым понятием сильно связности ЛА. Очевидно, что если ЛА размерности $$n$$ является сильно связным, то он будет $$\mu$$ -сильно связным при любом $$\mu < n$$. Обратное, однако, в общем случае неверно. Действительно, рассмотрим ЛА над полем $$GF(2)$$, заданный характеристическими матрицами

$$A= \left [ \begin {matrix} 010\\ 10\\ 001 \end {matrix} \right ], B= \left [ \begin {matrix} 0\\ 1\\ 1 \end {matrix} \right ]$$

Путем вычислений можно убедиться, что

$$L_3=[A^2B,AB,B]= \left [ \begin {matrix} 010\\ 101\\ 111 \end {matrix} \right ]$$

и $$\rank L_3=2$$. Тогда по теореме 12.1 этот ЛА не является сильно связным.

Положим $$\mu =2$$, тогда

$$[L_3]_2= \left [ \begin {matrix} 010\\ 101 \end {matrix} \right ]$$

и $$rank [L_3]_2=2$$. По теореме 12.1 рассматриваемый $$\mu$$ -ЛА является 2-сильно связным. Таким образом, исходный ЛА не является сильно связным, однако в пространстве обобщенных состояний он становится 2-сильно связным.

Определим теперь понятие синхронизирующей последовательности для $$\mu$$ -ЛА в пространстве обобщенных состояний.

Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА назовем обобщенной СП (ОСП), если

$$\forall \bar s, \tilde s \in \tilde {S_{\mu}}\ \ [A^{k+1}\bar S+A^kB\bar u(0)+ \dots +B\bar u(k)]_{\mu}=[A^{k+1}\tilde s +A^kB \bar u(0)+ \dots +B \bar u(k)]_{\mu}$$

Понятно, что при $$\mu =n$$, где $$n$$ - размерность ЛА, приведенное определение совпадает с определением обычной СП для этого же автомата. Перенося в (12.4) правую часть равенства влево и выполнив сокращения, получим

$$\forall \bar s, \tilde s \in S_{\mu}\ \ [A^{k+1}\bar s - A^k \tilde s)]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

где $$[0]=_{\mu}$$ - нулевой вектор размерности $$\mu$$. Поскольку в (12.5) $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ могут быть любыми ОС из $$\tilde S_{\mu}$$, то (12.5) эквивалентно

$$\forall \bar s \in S_n\ \ [A^{k+1}\bar s]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

Из предиката (12.6) вытекает справедливость следующего утверждения.

Теорема 12.2. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ имела ОСП длины $$k+1$$, необходимо и достаточно, чтобы

$$[A^{k+1}]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

Как видим, эта теорема является аналогом теоремы 1.1 для обычного ЛА, т. е. ее естественным обобщением.

По аналогии с разделом 1.2 $$\mu$$ -ЛА условимся называть обобщенно синхронизируемым, если для него существует ОСП.

Рассмотрим ЛА над полем $$GF(2)$$, заданный следующими характеристическими матрицами:

$$A= \left [ \begin {matrix} 000\\ 010\\ 001 \end {matrix} \right ], B= \left [ \begin {matrix} 0\\ 0\\ 0 \end {matrix} \right ]$$

Поскольку $$A \ne [0]$$, то для этого ЛА, как это следует из теоремы 1.1, СП длины 1 не существует. Положим $$\mu =1$$ и рассмотрим соответствующий 1-ЛА. Понятно, что состояние этого автомата в момент времени $$t+1$$ не зависит от состояния в момент $$t$$, так как $$B$$ есть нулевая матрица. Более того, для этого ЛА

$$s(t+1)=[0 s_2(t) s_2(t)]'$$

Из последнего равенства следует, что

$$[s(t+1)]_1=[0]_1$$

Последнее означает: любая входная последовательность длины 1 переводит 1-ЛА в одно и то же состояние $$[0]_1$$, т. е. любая такая последовательность является ОСП.

Таким образом, нами построен пример ЛА, не имеющего обычной СП некоторой фиксированной длины, но в то же время имеющего обобщенную СП такой длины.

Почти дословное повторение доказательства теоремы 1.2 позволяет установить справедливость ее аналога для $$\mu$$ -ЛА.

Теорема 12.3. Если для $$\mu$$ -ЛА существует хотя бы одна ОСП длины $$k$$, то обобщенными СП для него являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

По аналогии с обобщенными СП введем понятия обобщенных УП и ДП для $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$, полагая, что множеством его допустимых начальных состояний является множество, которое мы обозначим как $$\Init (\tilde A0$$.

Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА $$A$$ назовем обобщенной УП (ОУП), если

$$\forall \bar s(0), \tilde s(0) \in Init(\tilde A) \wedge_{d=0}^k[CA^d\bar s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB \bar u(d-1)+D\bar u(d)=\\ = CA^d \tilde s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)] \to\\ \to [A^{k+1}\bar s(0)+A^kB\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-1)+B\bar u(k)]_{\mu}=\\ =[A^{k+1}\tilde s(0)+A^kB\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-1)+B\bar u(k)]_{\mu}$$

Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ назовем обобщенной ДП (ОДП), если

$$\forall \bar s(0), \tilde s(0) \in Init (\tilde A) \wedge_{d=0}^k[CA^d\bar s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)=\\ =CA^d \tilde s())+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots + CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)] \to [\bar s(0)]_{\mu}=[\tilde s(0)]_{\mu} $$

Заметим, что содержательный смысл обобщенных УП и ДП тот же, что и обычных, но применительно к обобщенным состояниям. Ниже приводятся теоремы, которые содержат естественные обобщения результатов для обычных ЛА на ЛА, рассматриваемые в пространстве обобщенных состояний. Доказательства некоторых из этих утверждений опущены, поскольку могут быть получены за счет незначительного изменения уже приводившихся ранее доказательств.

Теорема 12.4. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА имел обобщенную УП длины $$k+1$$, необходимо и достаточно, чтобы

$$\forall \bar s \in \hat {Init}(\tilde A) (\exists k \ge 0 CA^k\bar s \ne [0]) \vee (\exists k \ge 0 [A^{k+1}\bar s]_{\mu}=[0]_{\mu})$$

Здесь через $$\hat {\Init}(\tilde A)$$ обозначено множество состояний, представляющее собой всевозможные разности состояний из множества $$\Init (\tilde A)$$.

Теорема 12.5. Если у $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ размерности $$n$$ ранг характеристической матрицы $$C$$ равен $$n$$, то для него существует обобщенная УП длины 1.

Доказательство. Пусть $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ - два различных начальных состояния $$\mu$$ -ЛА $$A$$ из множества допустимых. Через $$\bar y(0)$$ и $$\tilde y(0)$$ обозначим реакции этого автомата на входной символ $$\bar u(0)$$. Пусть $$[\bar {s_k}]_{\mu}$$ и $$[\tilde {s_k}]_{\mu}$$ - состояния $$\mu$$ -ЛА после подачи $$\bar u(0)$$. Если $$\bar u(0)$$ - обобщенная УП, то это означает, что

$$\forall \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) \bar y(0)=\tilde y(0) \to [\bar {s_k}]_{\mu}=[\bar {s_k}]_{\mu}$$

Предположим, что $$\bar u(0)$$ не является обобщенной УП, тогда

$$\exists \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) \bar y(0)=\tilde y(0) \wedge [\bar {s_k}]_{\mu} \ne [\bar {s_k}]_{\mu}$$

что эквивалентно

$$\exists \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) C(\bar s - \tilde s)=[0] \wedge [\bar {s_k}]_{\mu} \ne [\bar {s_k}]_{\mu}$$

Первый сомножитель в (12.7) можно интерпретировать как систему линейных однородных уравнений относительно $$n$$ неизвестных, являющихся координатами вектор-состояния. Эта система должна иметь ненулевое решение, поскольку по предположению $$\bar s \ne \tilde s$$. Из алгебры известно, что необходимым и достаточным условием для этого является выполнение неравенства

$$\rank C < n$$

что противоречит условию теоремы. Отсюда следует ложность предиката (12.7) и, следовательно, справедливость теоремы.

Теорема 12.6. Если для $$\mu$$ -ЛА размерности $$n$$ существует хотя бы одна обобщенная УП длины $$k$$, то для этого автомата обобщенными УП являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

Введем следующие обозначения: через $$K_t^{\mu}$$ и $$K_t^{(\mu)}$$ соответственно обозначим подматрицы матрицы

$$K_t=[C, CA, \dots, CA^{t-1}]'$$

содержащие первые и соответственно последние $$\mu$$ ее столбцов.

Теорема 12.7. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА $$A$$ размерности $$n$$ имел обобщенную ДП длины $$t$$, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы $$K_t^{\mu}$$ был равен $$\mu$$ и $$K_t^{(\mu)}=[0]$$.

Эта теорема является естественным обобщением теоремы 1.7. Два последующих утверждения являются аналогами теорем 1.8 и 1.9.

Теорема 12.8. Если для $$\mu$$ -ЛА существует хотя бы одна обобщенная ДП длины $$k$$, то для него обобщенными являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

Теорема 12.9. Если для $$\mu$$ -ЛА размерности $$n$$ существуют обобщенные ДП, то длина таких минимальных последовательностей не превосходит $$n$$.

Заметим, что аналоги последней теоремы справедливы как для обобщенных СП, так и для обобщенных УП.

Эксперименты с линейными автоматами с запаздыванием

Выше были рассмотрены ЛА, в правых частях уравнений переходов и выходов которых фигурировали векторы и матрицы со значениями только в момент времени $$t$$. Вместе с тем многие реальные процессы и устройства требуют для своего описания использования уравнений с запаздыванием.

Ниже будет использована классификация произвольных дискретных систем (ДС) с запаздыванием, предложенная в [17]. Очевидно, что эта классификация годится и для рассматриваемого нами частного случая ДС - линейных автоматов, заданных над полем $$GF(p)$$. В приведенных ранее обозначениях упомянутая классификация ДС такова:

Обыкновенная ДС - поведение ее описывается уравнением

$$\bar s(t+ \alpha )+A_1\bar s(t+ \alpha -1)+ \dots + A_{\alpha}\bar s(t)=B_0\bar u(t+ \beta)+ \dots +B_{\beta}\bar u(t), \beta < \alpha$$

Для того чтобы движение обыкновенной ДС было однозначно определено при $$t \ge 0$$, для любого входа $$\bar u(t)$$ должны быть заданы начальные условия $$\bar s(0), \bar s(1), \dots, \bar s(\alpha -1)$$ и $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(\beta - 1)$$

ДС с запаздыванием по состоянию - поведение ее описывается уравнением

$$\bar s(t+1)=A\bar s(t)+A_1\bar s(t-h)+B\bar u(t)$$

Для однозначного определения процесса $$\bar s(t)$$ при любом входе $$\bar u(t)$$ задаются начальные условия $$\bar s(0), \bar s(-1), \dots, \bar s(-h)$$, где $$h$$ - некоторое положительное целое число.

ДС с запаздыванием по управлению - поведение ее описывается уравнением

$$\bar s(t+1)=A\bar s(t)+B\bar u(t)+B_1\bar u(t-h)$$

Для однозначности определения процесса $$\bar s(t)$$ при $$t \ge -$$ при любом входе $$\bar u(t)$$ должны быть заданы начальные условия $$\bar s(0)$$ и $$\bar u(0), \bar u(-1), \dots, \bar u(-h)$$, где $$h$$ - некоторое положительное целое число.

В этом разделе будут рассмотрены вопросы существования СП, УП и ДП и методы их построения для линейных автоматов с запаздыванием, уравнения переходов которых представлены формулами (12.8)-(12.10).

Для получения критериев существования различных типов экспериментов для ЛА с запаздыванием используем следующую идею, изложенную в[71]. Попытаемся из фазового пространства состояний исходной ДС с запаздыванием по состоянию перейти в новое фазовое пространство состояний большей размерности с тем, чтобы уравнение состояний при этом трансформировалось в уравнение состояний ЛА без запаздывания. Аналогичное преобразование проделаем и в случае ЛА с запаздыванием по управлению, переходя от исходного входного вектора к вектору большей размерности с целью получения уравнений ЛА без запаздывания.

Из приведенных выше описаний ДС можно заключить, что участвующие в них векторы $$\bar s(t)$$, вообще говоря, не всегда представляют собой состояние системы в общепринятом смысле, т. е. ту минимальную по объему информацию, которую необходимо знать в текущий момент времени $$t$$ для однозначного продолжения процесса $$\bar s(t)$$ при известном входе $$\bar u(t)$$ Учитывая сказанное, каждую из перечисленных выше ДС с запаздыванием мы опишем в виде ЛА, определив соответствующим образом для ДС различных типов уравнение ее состояний, а затем для формулировки условий существования СП для этой ДС воспользуемся соответствующим критерием, полученным для ЛА без запаздывания.

Рассмотрим вначале обыкновенную ДС, заданную уравнением (12.8). Состояние $$\bar z(t+\alpha)$$ этой ДС в произвольный момент времени $$t+\alpha$$ определим как вектор $$[\bar s(t), \bar s(t+1), \dots, \bar s(t + \alpha +1)]'$$ Тогда состояние, в которое она переходит при подаче входного сигнала $$\bar u(t+ \beta)$$, есть вектор $$\bar u(t+\alpha +1)=[\bar s(t+1), \dots, \bar s(t+ \alpha)]'$$. Таким образом, если эту ДС описывать в виде ЛА, то размерность такого ЛА есть величина $$n=m \alpha$$ а начальное состояние есть $$\bar z(0)=[\bar s(0), \bar s(1), \dots, \bar s(\alpha +1)]'$$ В качестве входного вектора $$\bar u(t+\beta)$$ этой ДС теперь будем использовать вектор $$\tilde u(t+\beta)=[\bar u(t), \bar u(t+1), \dots, \bar u(t+\beta)]'$$ С учетом изложенного, если описывать рассматриваемую ДС в виде ЛА, уравнение ее переходов состояний примет вид

$$\bar z(t+ \alpha +1)=A*\bar z(t+ \alpha)+B* \tilde u(t+\beta)$$

Матрицы $$A*$$ и $$B*$$ имеют блочную структуру, которая описывается ниже. В роли блоков в матрице $$A*$$ выступают матрицы размерности $$m \times m$$, а число "блочных" строк и столбцов ее равно величине $$\alpha$$ Структура этой матрицы имеет следующий вид ( $$E_m$$ - единичная матрица размером $$m \times m$$ ):

$$A*= \left [ \begin {matrix} [0]E_m[0] \dots [0]\\ [0][0]E_m \dots [0]\\ \dots a \dots \dots \dots \dots \\ [0][0][0] \dots E_m\\ \A_{\alpha} -A_{\alpha -1} -A_{\alpha -2} \dots -A_1 \end {matrix} \right ] $$

В роли блоков матрицы $$B*$$ выступают матрицы размерности $$m \times l$$. Число "блочных" строк в $$B*$$ равно $$\alpha$$, а число "блочных" столбцов - $$\beta +1$$. Структура этой матрицы такова:

$$B*= \left [ \begin {matrix} [0][0][0]\dots [0]\\ [0][0][0] \dots [0]\\ \dots \dots \dots \dots \dots\\ [0] [0][0] \dots [0]\\ B_{\beta}b_{\beta -1}B_{\beta -2} \dots B_0 \end {matrix} \right ]$$

Непосредственной проверкой можно убедиться, что уравнение (12.11) с такими характеристическими матрицами задает линейный автомат, эквивалентный, с точки зрения функционирования, обыкновенной ДС, описанной разностным уравнением (1.1), откуда следует справедливость следующего утверждения:

Теорема 1.1 Для того чтобы ЛА с запаздыванием, описанный уравнением (12.8), имел СП длины $$k$$, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие $$(A*)^k$$.

Рассмотрим теперь ДС с запаздыванием по состоянию. Состояние ее в произвольный момент времени $$t$$ определим как вектор $$\bar z(t)=[\bar s(t-h), \bar s(t-h+1), \dots, \bar s(t)]'$$ Тогда следующее состояние после подачи очередного входа будет $$\bar z(t+1)=[\bar s(t)(h+1), \dots, \bar s(t), \bar s(t+1)]'$$ Следовательно, при описании этой ДС в виде ЛА размерность последнего равна величине $$n=m(h+1) $$, а начальное состояние есть $$\bar z(0)=[\bar s(0), \bar s(-1), \dots, \bar s(-h)]$$, компонентами которого являются заданные начальные условия. Учитывая сказанное, при описании ДС с запаздыванием по состоянию в виде ЛА уравнение переходов состояний примет вид

$$\bar z(t+1)=A*\bar z(t)+B* \tilde u(t)$$

где матрицы $$A^{\cdot}$$ и $$B^{\cdot}$$ так же, как и в предыдущем случае, имеют блочную структуру. В роли блоков в матрице $$A^{\cdot}$$ выступают матрицы размерности $$m \times m$$, а число ее "блочных" строк и столбцов равно $$h+1$$:

$$A*= \left [ \begin {matrix} [0]E_m[0] \dots [0]\\ [0][0]E_m \dots [0]\\ \dots \dots \dots \dots \dots\\ [0][0][0] \dots E_m\\ A_1[0][0] \dots A \end {matrix} \right ]$$

В роли блоков в матрице $$B*$$ выступают матрицы размерности $$m \times l$$, "блочных" строк в ней одна, а число столбцов - $$h+1$$:

$$B*=[[0] \dots [0]B]'$$

Можно проверить, что уравнение (10.1) с приведенными характеристическими матрицами задают ЛА, эквивалентный, с точки зрения функционирования, ДС с запаздыванием по состоянию, описанную уравнением (12.9). Отсюда следует, что для ДС такого типа справедлив аналог теоремы 10.1.

Рассмотрим, наконец, ДС с запаздыванием по управлению. При описании в виде ЛА состояние последнего в момент времени $$t$$ отождествим с вектором $$\bar s(t)$$ из (12.10), а входным вектором ЛА теперь будет являться вектор

$$\tilde u(t)=[\bar u(t), \bar u(t-1), \dots, \bar u(t-h)]'$$

Тогда очевидно, что основная характеристическая матрица соответствующего ЛА просто совпадает с матрицей $$A$$ из (1.1), а в роли матрицы $$B$$ в формуле (1.1) будет выступать "блочный" вектор

$$B*=[B[0] \dots [0] B_1]'$$

Из изложенного следует, что условие существования СП для ДС с запаздыванием по управлению просто совпадает с соответствующим условием для ЛА, описанного уравнением (1.1).

Подводя итог, отметим, что каждой из перечисленных выше типов ДС можно поставить в соответствие такой ЛА без запаздывания, который эквивалентен соответствующей ДС по поведению. Отсюда следует, что ранее доказанные для ЛА без запаздывания утверждения оказываются справедливыми для ЛА с запаздыванием. В частности, для них имеют место аналоги теорем 1.2, 1.3, следствие из теоремы 1.1 и т. д.

Кроме того, для решения задачи о переводе ЛА с запаздыванием в заданное синхросостояние остается пригодным метод, описанный в разделе 1.2 лекции 1. Проиллюстрируем это на примере применительно к обыкновенной ДС над полем $$GF(2) $$ при $$\alpha = 1$$ и $$\beta =1$$, заданной уравнением

$$\bar s (t+2)+A_1 \bar s(t+1)+A_2 \bar s(t)=B_0\bar u(t+1)+B_1 \bar u(t)$$

где $$\bar s(t)=[s_1(t), s_2(t)]'$$ и $$\bar u(t)=[u_1(t)]'$$, т. е. $$m=2, l=1$$, а характеристические матрицы ДС имеют следующий вид:

$$A_1= \left [ \begin {matrix} 01\\ 00 \end {matrix} \right ], A_2= \left [ \begin {matrix} 00\\ 00 \end {matrix} \right ], B_0= \left [ \begin {matrix} 0\\ 1 \end {matrix} \right ], B_1= \left [ \begin {matrix} 1\\ 0 \end {matrix} \right ]$$

Вычисления показывают, что эквивалентный рассматриваемой системе ЛА имеет следующие характеристические матрицы:

$$A*= \left [ \begin {matrix} 0010\\ 0001\\ 0001\\ 0000 \end {matrix} \right ], B*= \left [ \begin {matrix} 00\\ 00\\ 10\\ 01 \end {matrix} \right ]$$

При этом состоянием ЛА и его входным вектором являются векторы:

$$\bar s(t)=[s_1(t), s_2(t), s_1(t+1), s_2(t+1]', \dots, \bar u(t)=[u_1(t), u_1(t+1)]'$$

Пусть задано синхросостояние $$\tilde s=[0,1,0,1]'$$ и требуется найти такую входную последовательность, которая переводит ДС из произвольного начального состояния в синхросостояние $$\tilde s$$.

Легко проверить, что $$(A*)^3=[0]$$ откуда вытекает, что эквивалентный рассматриваемой системе ЛА синхронизируем и длина минимальной СП равна 3. Для нахождения искомой СП выпишем матричное уравнение вида (1.14) для нашего примера:

$$(A*)^2B* \tilde u(0)+A*B* \tilde u(1)+B*\tilde u(2)= \tilde s$$

С учетом приведенных выше матриц $$A*$$ и $$B*$$ это уравнение принимает следующий вид:

$$\left [ \begin {matrix} 01\\ 00\\ 00\\ 00 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(0)\\ u_1(1) \end {matrix} \right ] + \left [ \begin {matrix} 10\\ 01\\ 10\\ 00 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(1)\\ u_2(1) \end {matrix} \right ] + \left [ \begin {matrix} 00\\ 00\\ 10\\ 01 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(2)\\ u_1(3) \end {matrix} \right ] = \left [ \begin {matrix} 0\\ 1\\ -\\ 1 \end {matrix} \right ] $$

Перейдем от этого уравнения к равносильной системе, записанной в координатной форме:

$$u_1(1)+ u_1(1)=0, u_1(2)=1, u_1(1)+ u_1(2)=0, u_1(3)=1,$$

где "+" - операция по модулю 2.

Легко проверить, что эта система совместна и ее решение таково:

$$u_1(0)=x, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0,$$

где х означает безразличное значение (0 или 1). Следовательно, для рассматриваемой ДС в качестве СП, переводящей ее из произвольного начального состояния в заданное синхросостояние $$\tilde s$$, могут быть использованы две следующие входных последовательностей:

  • $$u_1(0)=1, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0$$,
  • $$u_1(0)=0, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0$$.
  • Коснемся теперь критериев существования УП и ДП для ДС с запаздыванием.

    Поскольку, как показано выше, каждый из рассматриваемых типов ДС соответствует эквивалентной ей ЛА без запаздывания, то критерий существования УП и ДП для ДС с запаздыванием - это теорема 1.4 и 2.1, в которых вместо матриц А и С должны фигурировать матрицы $$A*$$ и $$C*$$ эквивалентных ЛА. Кроме того, для ДС с запаздыванием оказываются справедливыми аналоги теорем 10.5, 11.1 и 11.3.

    Вопросы и упражнения

  • Дайте определение обобщенного состояния автомата.
  • Укажите различие между классической диаграммой автомата и диаграммой автомата в пространстве обобщенных состояний.
  • Сформулируйте критерий управляемости обобщенного автомата в матричной форме.
  • Может ли автомат, не являющийся сильно связным в классическом понимании, оказаться сильно связным в пространстве обобщенных состояний?
  • Дайте определения обобщенных синхронизирующих, установочных и диагностических последовательностей.
  • Сформулируйте критерии существования таких последовательностей.
  • Являются ли свойства обобщенных последовательностей аналогами соответствующих свойств обычных последовательностей тех же типов для "классических" линейных автоматов?
  • Приведите классификацию линейных автоматов с запаздыванием. 9. Изложите основополагающую идею для получения критериев существования всех типов последовательностей для всех типов автоматов с запаздыванием.
  • Страницы:

    Эксперименты с линейными автоматами в пространстве обобщенных состояний

    Наряду с традиционным понятием состояния ЛА $$\tilde A$$ размерности $$n$$, представляющего собой $$n$$ -мерный вектор, введем понятие обобщенного состояния. С этой целью зафиксируем некоторое целое положительное число $$\mu$$, такое, что $$1 \le \mu n$$, и вектор-столбец

    $$\tidle s (t)=\lbrack s_1(t), \dots, s_\mu, \underbrace{x, \dots,x}_{n-\mu раз}}\rbrack' $$

    где $$x$$ - символ неопределенности, будем называть обобщенным состоянием (ОС) линейного автомата. Предполагается, что каждый символ неопределенности $$x$$ может принимать любое значение из поля $$GF(p)$$. Таким образом, каждому ОС линейного автомата соответствует некоторое подмножество $$S_n$$ всех состояний ЛА. Далее через $$\tilde {S_{\mu}}$$ будем обозначать пространство обобщенных состояний ЛА. Понятно, что число обобщенных состояний в $$\tilde {S_{\mu}}$$ равно $$p^{\mu}$$.

    Вообще говоря, обобщенное состояние ЛА можно определить иначе, например, положив

    $$\tilde s(t)=[s_1(t), \dots, s_{i_1-1}(t), \dots, x, s_{i_1+1}(t), \dots, s_{i_{n- \mu -1}}(t_, x, s_{i_{n- \mu +1}}(t), \dots, s_n(t)]' $$

    где $$n- \mu$$ штук значений координат $$s_{i_j}(t), j=1, \dots, \mu$$, номера которых выбраны произвольным образом, замещены символом неопределенности $$x$$. Легко показать, что путем подходящих перестановок строк и столбцов характеристических матриц линейный автомат $$\hat A$$ всегда может быть преобразован в такой изоморфный ему ЛА $$\tilde A$$, у которого ОС (12.2) отображается при этом в ОС (12.1). Поэтому для простоты записи, но не теряя при этом общности, примем первый вариант (12.1) определения ОС.

    Далее условимся о следующих обозначениях: если $$H$$ есть матрица, то через $$[H]_a$$ обозначим матрицу с $$a$$ штук строками, совпадающими с первыми $$a$$ строками матрицы $$H$$. Аналогичное обозначение используем и для вектора: $$[\bar s]_a$$ - это вектор размерности $$a$$, у которого координаты совпадают с $$a$$ первыми координатами вектора $$\bar s$$.

    ЛА с заданной величиной $$\mu$$, определяющей для ЛА пространство обобщенных состояний, условимся обозначать как $$\mu$$ -ЛА.

    Введем для $$\mu$$ -ЛА понятие обобщенной диаграммы переходов (ОДП). ОДП для $$\mu$$ -ЛА над полем $$GF(p)$$ назовем ориентированный граф, содержащий $$p^{\mu}$$ вершин, взаимно однозначно соответствующих каждому ОС этого автомата. Две вершины $$\bar a$$ и $$\bar b$$ в ОДП соединяются дугой, ведущей из $$\bar a$$ в $$\bar b$$, помеченной входным символом $$\bat u$$ $$\mu$$ -ЛА, если существуют по крайней мере два таких "традиционных" состояния $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ из $$S_n$$, что $$[s]_{\mu}=\bar a, [s]_{\mu}=\bar b, \tilde s=A\bar s+B\bar u$$.

    Отметим различие между "традиционной" диаграммой переходов ЛА [19] и ОДП: в "традиционной" диаграмме каждой ее дуге, помеченной входным символом $$\bar u$$, соответствует единственный выходной символ (реакция ЛА на вход $$\bar u$$ в состоянии $$\bar s$$ ), а в ОДП некоторой дуге может соответствовать несколько выходных символов. Назовем ОДП сильно связной, если в ней для любой пары вершин $$\bar a$$ и $$\bar b$$ существует путь, ведущий из $$\bar a$$ в $$\bar b$$. Соответствующий этой ОДП $$\mu$$ -ЛА будем называть $$\mu$$ -сильно связным.

    Понятно, что любому пути в ОДП из $$\bar a$$ в $$\bar b$$ соответствует некоторое входное слово $$\mu$$ -ЛА, возможно не одно, переводящее его из ОС $$\bar a$$ в ОС $$\bar b$$.

    По аналогии с [19] $$\mu$$ -ЛА назовем $$k$$ -управляемым, если для любых двух его обобщенных состояний $$\bar a$$ и $$\bar b$$ существует входное слово длины $$k$$, переводящее его из $$\bar a$$ в $$\bar b$$. Очевидно, что $$k$$ -управляемый $$\mu$$ -ЛА является $$\mu$$ -сильно связным.

    Теорема 12.1. $$\mu$$ -ЛА является $$\mu$$ -управляемым тогда и только тогда, когда ранг матрицы

    $$[L_k]_{\mu}=[A^{k-1}B, A^{k-2}B, \dots, AB,B]_{\mu}$$

    равен $$\mu$$.

    Доказательство. Пусть $$[\bar s]_{\mu}$$ и $$[\tilde s]_{\mu}$$ - различные произвольные ОС рассматриваемого $$\mu$$ -ЛА. По определению $$k$$ -управляемости существует такая входная последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)$$ длины $$k$$, которая переводит $$\mu$$ -ЛА из $$[\bar s]_{\mu}$$ в $$[\tilde s]_{\mu}$$. Тогда на основании формулы (1.3) можно записать:

    $$[\bar s]_{\mu}=[A^k \tilde s+A^{k-1}B\bar u(0)+\dots |AB\bar u(k-2)+B\bar u(k-1)]_{\mu}$$

    Отсюда следует, что

    $$[\bar s-A^k\tilde s]_{\mu}=[A^{k-1}B\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-2)+b\bar u(k-1)]_{\mu}=\\ =[L_k[\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)]']_{\mu}$$

    Поскольку $$\bar s-A^k\tilde s$$ может быть любым $$n$$ -мерным вектором, $$[\bar s-A^k\tilde s]_{\mu}$$ также может быть любым $$\mu$$ -мерным вектором. В силу этого последнее равенство можно записать в виде

    $$[L_k \hat u]_{\mu}$$

    где $$\hat u=[\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k-1)]'$$, и интерпретировать его как СЛАУ относительно неизвестных, являющихся координатами вектора $$\hat u$$.

    Понятно, что существование входной последовательности, переводящей $$\mu$$ -ЛА из произвольного ОС $$[\tilde s]_{\mu}$$ в произвольное ОС $$[\bar s]_{\mu}$$, эквивалентно существованию решений выписанной выше системы при любых правых частях. Из алгебры известно [33], что необходимым и достаточным условием для этого является равенство ранга системы (12.3) величине $$\mu$$. Заметим, что при $$\mu =n$$, где $$n$$ - размерность ЛА, $$\mu$$ -сильно связность совпадает с общепринятым понятием сильно связности ЛА. Очевидно, что если ЛА размерности $$n$$ является сильно связным, то он будет $$\mu$$ -сильно связным при любом $$\mu < n$$. Обратное, однако, в общем случае неверно. Действительно, рассмотрим ЛА над полем $$GF(2)$$, заданный характеристическими матрицами

    $$A= \left [ \begin {matrix} 010\\ 10\\ 001 \end {matrix} \right ], B= \left [ \begin {matrix} 0\\ 1\\ 1 \end {matrix} \right ]$$

    Путем вычислений можно убедиться, что

    $$L_3=[A^2B,AB,B]= \left [ \begin {matrix} 010\\ 101\\ 111 \end {matrix} \right ]$$

    и $$\rank L_3=2$$. Тогда по теореме 12.1 этот ЛА не является сильно связным.

    Положим $$\mu =2$$, тогда

    $$[L_3]_2= \left [ \begin {matrix} 010\\ 101 \end {matrix} \right ]$$

    и $$rank [L_3]_2=2$$. По теореме 12.1 рассматриваемый $$\mu$$ -ЛА является 2-сильно связным. Таким образом, исходный ЛА не является сильно связным, однако в пространстве обобщенных состояний он становится 2-сильно связным.

    Определим теперь понятие синхронизирующей последовательности для $$\mu$$ -ЛА в пространстве обобщенных состояний.

    Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА назовем обобщенной СП (ОСП), если

    $$\forall \bar s, \tilde s \in \tilde {S_{\mu}}\ \ [A^{k+1}\bar S+A^kB\bar u(0)+ \dots +B\bar u(k)]_{\mu}=[A^{k+1}\tilde s +A^kB \bar u(0)+ \dots +B \bar u(k)]_{\mu}$$

    Понятно, что при $$\mu =n$$, где $$n$$ - размерность ЛА, приведенное определение совпадает с определением обычной СП для этого же автомата. Перенося в (12.4) правую часть равенства влево и выполнив сокращения, получим

    $$\forall \bar s, \tilde s \in S_{\mu}\ \ [A^{k+1}\bar s - A^k \tilde s)]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

    где $$[0]=_{\mu}$$ - нулевой вектор размерности $$\mu$$. Поскольку в (12.5) $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ могут быть любыми ОС из $$\tilde S_{\mu}$$, то (12.5) эквивалентно

    $$\forall \bar s \in S_n\ \ [A^{k+1}\bar s]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

    Из предиката (12.6) вытекает справедливость следующего утверждения.

    Теорема 12.2. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ имела ОСП длины $$k+1$$, необходимо и достаточно, чтобы

    $$[A^{k+1}]_{\mu}=[0]_{\mu}$$

    Как видим, эта теорема является аналогом теоремы 1.1 для обычного ЛА, т. е. ее естественным обобщением.

    По аналогии с разделом 1.2 $$\mu$$ -ЛА условимся называть обобщенно синхронизируемым, если для него существует ОСП.

    Рассмотрим ЛА над полем $$GF(2)$$, заданный следующими характеристическими матрицами:

    $$A= \left [ \begin {matrix} 000\\ 010\\ 001 \end {matrix} \right ], B= \left [ \begin {matrix} 0\\ 0\\ 0 \end {matrix} \right ]$$

    Поскольку $$A \ne [0]$$, то для этого ЛА, как это следует из теоремы 1.1, СП длины 1 не существует. Положим $$\mu =1$$ и рассмотрим соответствующий 1-ЛА. Понятно, что состояние этого автомата в момент времени $$t+1$$ не зависит от состояния в момент $$t$$, так как $$B$$ есть нулевая матрица. Более того, для этого ЛА

    $$s(t+1)=[0 s_2(t) s_2(t)]'$$

    Из последнего равенства следует, что

    $$[s(t+1)]_1=[0]_1$$

    Последнее означает: любая входная последовательность длины 1 переводит 1-ЛА в одно и то же состояние $$[0]_1$$, т. е. любая такая последовательность является ОСП.

    Таким образом, нами построен пример ЛА, не имеющего обычной СП некоторой фиксированной длины, но в то же время имеющего обобщенную СП такой длины.

    Почти дословное повторение доказательства теоремы 1.2 позволяет установить справедливость ее аналога для $$\mu$$ -ЛА.

    Теорема 12.3. Если для $$\mu$$ -ЛА существует хотя бы одна ОСП длины $$k$$, то обобщенными СП для него являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

    По аналогии с обобщенными СП введем понятия обобщенных УП и ДП для $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$, полагая, что множеством его допустимых начальных состояний является множество, которое мы обозначим как $$\Init (\tilde A0$$.

    Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА $$A$$ назовем обобщенной УП (ОУП), если

    $$\forall \bar s(0), \tilde s(0) \in Init(\tilde A) \wedge_{d=0}^k[CA^d\bar s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB \bar u(d-1)+D\bar u(d)=\\ = CA^d \tilde s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)] \to\\ \to [A^{k+1}\bar s(0)+A^kB\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-1)+B\bar u(k)]_{\mu}=\\ =[A^{k+1}\tilde s(0)+A^kB\bar u(0)+ \dots +AB\bar u(k-1)+B\bar u(k)]_{\mu}$$

    Входную последовательность $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(k)$$ $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ назовем обобщенной ДП (ОДП), если

    $$\forall \bar s(0), \tilde s(0) \in Init (\tilde A) \wedge_{d=0}^k[CA^d\bar s(0)+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots +CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)=\\ =CA^d \tilde s())+CA^{d-1}B\bar u(0)+ \dots + CB\bar u(d-1)+D\bar u(d)] \to [\bar s(0)]_{\mu}=[\tilde s(0)]_{\mu} $$

    Заметим, что содержательный смысл обобщенных УП и ДП тот же, что и обычных, но применительно к обобщенным состояниям. Ниже приводятся теоремы, которые содержат естественные обобщения результатов для обычных ЛА на ЛА, рассматриваемые в пространстве обобщенных состояний. Доказательства некоторых из этих утверждений опущены, поскольку могут быть получены за счет незначительного изменения уже приводившихся ранее доказательств.

    Теорема 12.4. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА имел обобщенную УП длины $$k+1$$, необходимо и достаточно, чтобы

    $$\forall \bar s \in \hat {Init}(\tilde A) (\exists k \ge 0 CA^k\bar s \ne [0]) \vee (\exists k \ge 0 [A^{k+1}\bar s]_{\mu}=[0]_{\mu})$$

    Здесь через $$\hat {\Init}(\tilde A)$$ обозначено множество состояний, представляющее собой всевозможные разности состояний из множества $$\Init (\tilde A)$$.

    Теорема 12.5. Если у $$\mu$$ -ЛА $$\tilde A$$ размерности $$n$$ ранг характеристической матрицы $$C$$ равен $$n$$, то для него существует обобщенная УП длины 1.

    Доказательство. Пусть $$\bar s$$ и $$\tilde s$$ - два различных начальных состояния $$\mu$$ -ЛА $$A$$ из множества допустимых. Через $$\bar y(0)$$ и $$\tilde y(0)$$ обозначим реакции этого автомата на входной символ $$\bar u(0)$$. Пусть $$[\bar {s_k}]_{\mu}$$ и $$[\tilde {s_k}]_{\mu}$$ - состояния $$\mu$$ -ЛА после подачи $$\bar u(0)$$. Если $$\bar u(0)$$ - обобщенная УП, то это означает, что

    $$\forall \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) \bar y(0)=\tilde y(0) \to [\bar {s_k}]_{\mu}=[\bar {s_k}]_{\mu}$$

    Предположим, что $$\bar u(0)$$ не является обобщенной УП, тогда

    $$\exists \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) \bar y(0)=\tilde y(0) \wedge [\bar {s_k}]_{\mu} \ne [\bar {s_k}]_{\mu}$$

    что эквивалентно

    $$\exists \bar s, \tilde s \in \Init (\tilde A) C(\bar s - \tilde s)=[0] \wedge [\bar {s_k}]_{\mu} \ne [\bar {s_k}]_{\mu}$$

    Первый сомножитель в (12.7) можно интерпретировать как систему линейных однородных уравнений относительно $$n$$ неизвестных, являющихся координатами вектор-состояния. Эта система должна иметь ненулевое решение, поскольку по предположению $$\bar s \ne \tilde s$$. Из алгебры известно, что необходимым и достаточным условием для этого является выполнение неравенства

    $$\rank C < n$$

    что противоречит условию теоремы. Отсюда следует ложность предиката (12.7) и, следовательно, справедливость теоремы.

    Теорема 12.6. Если для $$\mu$$ -ЛА размерности $$n$$ существует хотя бы одна обобщенная УП длины $$k$$, то для этого автомата обобщенными УП являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

    Введем следующие обозначения: через $$K_t^{\mu}$$ и $$K_t^{(\mu)}$$ соответственно обозначим подматрицы матрицы

    $$K_t=[C, CA, \dots, CA^{t-1}]'$$

    содержащие первые и соответственно последние $$\mu$$ ее столбцов.

    Теорема 12.7. Для того чтобы $$\mu$$ -ЛА $$A$$ размерности $$n$$ имел обобщенную ДП длины $$t$$, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы $$K_t^{\mu}$$ был равен $$\mu$$ и $$K_t^{(\mu)}=[0]$$.

    Эта теорема является естественным обобщением теоремы 1.7. Два последующих утверждения являются аналогами теорем 1.8 и 1.9.

    Теорема 12.8. Если для $$\mu$$ -ЛА существует хотя бы одна обобщенная ДП длины $$k$$, то для него обобщенными являются любые входные последовательности длины $$k$$ и более.

    Теорема 12.9. Если для $$\mu$$ -ЛА размерности $$n$$ существуют обобщенные ДП, то длина таких минимальных последовательностей не превосходит $$n$$.

    Заметим, что аналоги последней теоремы справедливы как для обобщенных СП, так и для обобщенных УП.

    Эксперименты с линейными автоматами с запаздыванием

    Выше были рассмотрены ЛА, в правых частях уравнений переходов и выходов которых фигурировали векторы и матрицы со значениями только в момент времени $$t$$. Вместе с тем многие реальные процессы и устройства требуют для своего описания использования уравнений с запаздыванием.

    Ниже будет использована классификация произвольных дискретных систем (ДС) с запаздыванием, предложенная в [17]. Очевидно, что эта классификация годится и для рассматриваемого нами частного случая ДС - линейных автоматов, заданных над полем $$GF(p)$$. В приведенных ранее обозначениях упомянутая классификация ДС такова:

    Обыкновенная ДС - поведение ее описывается уравнением

    $$\bar s(t+ \alpha )+A_1\bar s(t+ \alpha -1)+ \dots + A_{\alpha}\bar s(t)=B_0\bar u(t+ \beta)+ \dots +B_{\beta}\bar u(t), \beta < \alpha$$

    Для того чтобы движение обыкновенной ДС было однозначно определено при $$t \ge 0$$, для любого входа $$\bar u(t)$$ должны быть заданы начальные условия $$\bar s(0), \bar s(1), \dots, \bar s(\alpha -1)$$ и $$\bar u(0), \bar u(1), \dots, \bar u(\beta - 1)$$

    ДС с запаздыванием по состоянию - поведение ее описывается уравнением

    $$\bar s(t+1)=A\bar s(t)+A_1\bar s(t-h)+B\bar u(t)$$

    Для однозначного определения процесса $$\bar s(t)$$ при любом входе $$\bar u(t)$$ задаются начальные условия $$\bar s(0), \bar s(-1), \dots, \bar s(-h)$$, где $$h$$ - некоторое положительное целое число.

    ДС с запаздыванием по управлению - поведение ее описывается уравнением

    $$\bar s(t+1)=A\bar s(t)+B\bar u(t)+B_1\bar u(t-h)$$

    Для однозначности определения процесса $$\bar s(t)$$ при $$t \ge -$$ при любом входе $$\bar u(t)$$ должны быть заданы начальные условия $$\bar s(0)$$ и $$\bar u(0), \bar u(-1), \dots, \bar u(-h)$$, где $$h$$ - некоторое положительное целое число.

    В этом разделе будут рассмотрены вопросы существования СП, УП и ДП и методы их построения для линейных автоматов с запаздыванием, уравнения переходов которых представлены формулами (12.8)-(12.10).

    Для получения критериев существования различных типов экспериментов для ЛА с запаздыванием используем следующую идею, изложенную в[71]. Попытаемся из фазового пространства состояний исходной ДС с запаздыванием по состоянию перейти в новое фазовое пространство состояний большей размерности с тем, чтобы уравнение состояний при этом трансформировалось в уравнение состояний ЛА без запаздывания. Аналогичное преобразование проделаем и в случае ЛА с запаздыванием по управлению, переходя от исходного входного вектора к вектору большей размерности с целью получения уравнений ЛА без запаздывания.

    Из приведенных выше описаний ДС можно заключить, что участвующие в них векторы $$\bar s(t)$$, вообще говоря, не всегда представляют собой состояние системы в общепринятом смысле, т. е. ту минимальную по объему информацию, которую необходимо знать в текущий момент времени $$t$$ для однозначного продолжения процесса $$\bar s(t)$$ при известном входе $$\bar u(t)$$ Учитывая сказанное, каждую из перечисленных выше ДС с запаздыванием мы опишем в виде ЛА, определив соответствующим образом для ДС различных типов уравнение ее состояний, а затем для формулировки условий существования СП для этой ДС воспользуемся соответствующим критерием, полученным для ЛА без запаздывания.

    Рассмотрим вначале обыкновенную ДС, заданную уравнением (12.8). Состояние $$\bar z(t+\alpha)$$ этой ДС в произвольный момент времени $$t+\alpha$$ определим как вектор $$[\bar s(t), \bar s(t+1), \dots, \bar s(t + \alpha +1)]'$$ Тогда состояние, в которое она переходит при подаче входного сигнала $$\bar u(t+ \beta)$$, есть вектор $$\bar u(t+\alpha +1)=[\bar s(t+1), \dots, \bar s(t+ \alpha)]'$$. Таким образом, если эту ДС описывать в виде ЛА, то размерность такого ЛА есть величина $$n=m \alpha$$ а начальное состояние есть $$\bar z(0)=[\bar s(0), \bar s(1), \dots, \bar s(\alpha +1)]'$$ В качестве входного вектора $$\bar u(t+\beta)$$ этой ДС теперь будем использовать вектор $$\tilde u(t+\beta)=[\bar u(t), \bar u(t+1), \dots, \bar u(t+\beta)]'$$ С учетом изложенного, если описывать рассматриваемую ДС в виде ЛА, уравнение ее переходов состояний примет вид

    $$\bar z(t+ \alpha +1)=A*\bar z(t+ \alpha)+B* \tilde u(t+\beta)$$

    Матрицы $$A*$$ и $$B*$$ имеют блочную структуру, которая описывается ниже. В роли блоков в матрице $$A*$$ выступают матрицы размерности $$m \times m$$, а число "блочных" строк и столбцов ее равно величине $$\alpha$$ Структура этой матрицы имеет следующий вид ( $$E_m$$ - единичная матрица размером $$m \times m$$ ):

    $$A*= \left [ \begin {matrix} [0]E_m[0] \dots [0]\\ [0][0]E_m \dots [0]\\ \dots a \dots \dots \dots \dots \\ [0][0][0] \dots E_m\\ \A_{\alpha} -A_{\alpha -1} -A_{\alpha -2} \dots -A_1 \end {matrix} \right ] $$

    В роли блоков матрицы $$B*$$ выступают матрицы размерности $$m \times l$$. Число "блочных" строк в $$B*$$ равно $$\alpha$$, а число "блочных" столбцов - $$\beta +1$$. Структура этой матрицы такова:

    $$B*= \left [ \begin {matrix} [0][0][0]\dots [0]\\ [0][0][0] \dots [0]\\ \dots \dots \dots \dots \dots\\ [0] [0][0] \dots [0]\\ B_{\beta}b_{\beta -1}B_{\beta -2} \dots B_0 \end {matrix} \right ]$$

    Непосредственной проверкой можно убедиться, что уравнение (12.11) с такими характеристическими матрицами задает линейный автомат, эквивалентный, с точки зрения функционирования, обыкновенной ДС, описанной разностным уравнением (1.1), откуда следует справедливость следующего утверждения:

    Теорема 1.1 Для того чтобы ЛА с запаздыванием, описанный уравнением (12.8), имел СП длины $$k$$, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие $$(A*)^k$$.

    Рассмотрим теперь ДС с запаздыванием по состоянию. Состояние ее в произвольный момент времени $$t$$ определим как вектор $$\bar z(t)=[\bar s(t-h), \bar s(t-h+1), \dots, \bar s(t)]'$$ Тогда следующее состояние после подачи очередного входа будет $$\bar z(t+1)=[\bar s(t)(h+1), \dots, \bar s(t), \bar s(t+1)]'$$ Следовательно, при описании этой ДС в виде ЛА размерность последнего равна величине $$n=m(h+1) $$, а начальное состояние есть $$\bar z(0)=[\bar s(0), \bar s(-1), \dots, \bar s(-h)]$$, компонентами которого являются заданные начальные условия. Учитывая сказанное, при описании ДС с запаздыванием по состоянию в виде ЛА уравнение переходов состояний примет вид

    $$\bar z(t+1)=A*\bar z(t)+B* \tilde u(t)$$

    где матрицы $$A^{\cdot}$$ и $$B^{\cdot}$$ так же, как и в предыдущем случае, имеют блочную структуру. В роли блоков в матрице $$A^{\cdot}$$ выступают матрицы размерности $$m \times m$$, а число ее "блочных" строк и столбцов равно $$h+1$$:

    $$A*= \left [ \begin {matrix} [0]E_m[0] \dots [0]\\ [0][0]E_m \dots [0]\\ \dots \dots \dots \dots \dots\\ [0][0][0] \dots E_m\\ A_1[0][0] \dots A \end {matrix} \right ]$$

    В роли блоков в матрице $$B*$$ выступают матрицы размерности $$m \times l$$, "блочных" строк в ней одна, а число столбцов - $$h+1$$:

    $$B*=[[0] \dots [0]B]'$$

    Можно проверить, что уравнение (10.1) с приведенными характеристическими матрицами задают ЛА, эквивалентный, с точки зрения функционирования, ДС с запаздыванием по состоянию, описанную уравнением (12.9). Отсюда следует, что для ДС такого типа справедлив аналог теоремы 10.1.

    Рассмотрим, наконец, ДС с запаздыванием по управлению. При описании в виде ЛА состояние последнего в момент времени $$t$$ отождествим с вектором $$\bar s(t)$$ из (12.10), а входным вектором ЛА теперь будет являться вектор

    $$\tilde u(t)=[\bar u(t), \bar u(t-1), \dots, \bar u(t-h)]'$$

    Тогда очевидно, что основная характеристическая матрица соответствующего ЛА просто совпадает с матрицей $$A$$ из (1.1), а в роли матрицы $$B$$ в формуле (1.1) будет выступать "блочный" вектор

    $$B*=[B[0] \dots [0] B_1]'$$

    Из изложенного следует, что условие существования СП для ДС с запаздыванием по управлению просто совпадает с соответствующим условием для ЛА, описанного уравнением (1.1).

    Подводя итог, отметим, что каждой из перечисленных выше типов ДС можно поставить в соответствие такой ЛА без запаздывания, который эквивалентен соответствующей ДС по поведению. Отсюда следует, что ранее доказанные для ЛА без запаздывания утверждения оказываются справедливыми для ЛА с запаздыванием. В частности, для них имеют место аналоги теорем 1.2, 1.3, следствие из теоремы 1.1 и т. д.

    Кроме того, для решения задачи о переводе ЛА с запаздыванием в заданное синхросостояние остается пригодным метод, описанный в разделе 1.2 лекции 1. Проиллюстрируем это на примере применительно к обыкновенной ДС над полем $$GF(2) $$ при $$\alpha = 1$$ и $$\beta =1$$, заданной уравнением

    $$\bar s (t+2)+A_1 \bar s(t+1)+A_2 \bar s(t)=B_0\bar u(t+1)+B_1 \bar u(t)$$

    где $$\bar s(t)=[s_1(t), s_2(t)]'$$ и $$\bar u(t)=[u_1(t)]'$$, т. е. $$m=2, l=1$$, а характеристические матрицы ДС имеют следующий вид:

    $$A_1= \left [ \begin {matrix} 01\\ 00 \end {matrix} \right ], A_2= \left [ \begin {matrix} 00\\ 00 \end {matrix} \right ], B_0= \left [ \begin {matrix} 0\\ 1 \end {matrix} \right ], B_1= \left [ \begin {matrix} 1\\ 0 \end {matrix} \right ]$$

    Вычисления показывают, что эквивалентный рассматриваемой системе ЛА имеет следующие характеристические матрицы:

    $$A*= \left [ \begin {matrix} 0010\\ 0001\\ 0001\\ 0000 \end {matrix} \right ], B*= \left [ \begin {matrix} 00\\ 00\\ 10\\ 01 \end {matrix} \right ]$$

    При этом состоянием ЛА и его входным вектором являются векторы:

    $$\bar s(t)=[s_1(t), s_2(t), s_1(t+1), s_2(t+1]', \dots, \bar u(t)=[u_1(t), u_1(t+1)]'$$

    Пусть задано синхросостояние $$\tilde s=[0,1,0,1]'$$ и требуется найти такую входную последовательность, которая переводит ДС из произвольного начального состояния в синхросостояние $$\tilde s$$.

    Легко проверить, что $$(A*)^3=[0]$$ откуда вытекает, что эквивалентный рассматриваемой системе ЛА синхронизируем и длина минимальной СП равна 3. Для нахождения искомой СП выпишем матричное уравнение вида (1.14) для нашего примера:

    $$(A*)^2B* \tilde u(0)+A*B* \tilde u(1)+B*\tilde u(2)= \tilde s$$

    С учетом приведенных выше матриц $$A*$$ и $$B*$$ это уравнение принимает следующий вид:

    $$\left [ \begin {matrix} 01\\ 00\\ 00\\ 00 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(0)\\ u_1(1) \end {matrix} \right ] + \left [ \begin {matrix} 10\\ 01\\ 10\\ 00 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(1)\\ u_2(1) \end {matrix} \right ] + \left [ \begin {matrix} 00\\ 00\\ 10\\ 01 \end {matrix} \right ] \times \left [ \begin {matrix} u_1(2)\\ u_1(3) \end {matrix} \right ] = \left [ \begin {matrix} 0\\ 1\\ -\\ 1 \end {matrix} \right ] $$

    Перейдем от этого уравнения к равносильной системе, записанной в координатной форме:

    $$u_1(1)+ u_1(1)=0, u_1(2)=1, u_1(1)+ u_1(2)=0, u_1(3)=1,$$

    где "+" - операция по модулю 2.

    Легко проверить, что эта система совместна и ее решение таково:

    $$u_1(0)=x, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0,$$

    где х означает безразличное значение (0 или 1). Следовательно, для рассматриваемой ДС в качестве СП, переводящей ее из произвольного начального состояния в заданное синхросостояние $$\tilde s$$, могут быть использованы две следующие входных последовательностей:

  • $$u_1(0)=1, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0$$,
  • $$u_1(0)=0, u_1(1)=1, u_1(2)=1, u_1(3)=0$$.
  • Коснемся теперь критериев существования УП и ДП для ДС с запаздыванием.

    Поскольку, как показано выше, каждый из рассматриваемых типов ДС соответствует эквивалентной ей ЛА без запаздывания, то критерий существования УП и ДП для ДС с запаздыванием - это теорема 1.4 и 2.1, в которых вместо матриц А и С должны фигурировать матрицы $$A*$$ и $$C*$$ эквивалентных ЛА. Кроме того, для ДС с запаздыванием оказываются справедливыми аналоги теорем 10.5, 11.1 и 11.3.

    Вопросы и упражнения

  • Дайте определение обобщенного состояния автомата.
  • Укажите различие между классической диаграммой автомата и диаграммой автомата в пространстве обобщенных состояний.
  • Сформулируйте критерий управляемости обобщенного автомата в матричной форме.
  • Может ли автомат, не являющийся сильно связным в классическом понимании, оказаться сильно связным в пространстве обобщенных состояний?
  • Дайте определения обобщенных синхронизирующих, установочных и диагностических последовательностей.
  • Сформулируйте критерии существования таких последовательностей.
  • Являются ли свойства обобщенных последовательностей аналогами соответствующих свойств обычных последовательностей тех же типов для "классических" линейных автоматов?
  • Приведите классификацию линейных автоматов с запаздыванием. 9. Изложите основополагающую идею для получения критериев существования всех типов последовательностей для всех типов автоматов с запаздыванием.
  • Вернуться к учебному плану