СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКАЗОВ ДАТЧИКОВ И КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1999 года по МПК F02C9/46 

Изобретение относится к области систем управления сложных объектов техники, работающих в широком диапазоне режимов и нагрузок и может быть использовано в системах управления газотурбинных двигателей, турбин электростанций и т.д.

Известен способ обнаружения отказов датчиков, согласно которому на основе модели двигателя строят наблюдатели состояния объекта и соединяют их с датчиками, причем с одним наблюдателем состояния соединяют все датчики, а с каждым из последующим наблюдателей - все, кроме одного, после чего определяют взвешенную сумму квадратов невязок для всех наблюдателей, определяют разность между взвешенной суммой квадратов невязок первого наблюдателя и всех остальных наблюдателей, выбирают максимальное значение и сравнивают его с ранее заданным пороговым значением. В случае, если это значение превышает установленное пороговое значение, то формируют сигнал "мягкого" отказа того датчика, показания которого не использованы в наблюдателе состояния, для которого значение разности между взвешенной суммой квадратов невязок первого наблюдателя и его взвешенной суммой квадратов невязок превышает установленное пороговое значение, или "жесткого" отказа в случае, если значения невязок первого наблюдателя превышают установленное значение (см. "Advanced Detection, Isolation, and Accommodation of Sensor Failures - Real-Time Evaluation" // W.C.Merril, J.C.DeLaat, and W.M.Bruton // NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio // J.Guidance, Vol. II, NO 6, Nov.- Dec. 1988).

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что он характеризуется невысокой точностью, так как не позволяет учитывать реальные погрешности модели, которые в динамических переходных режимах весьма велики, и низкой надежностью, так как отказ исполнительного элемента (элементов) или узла объекта идентифицируется как отказ одного из датчиков, что может привести к аварийной ситуации при эксплуатации объекта.

Задачами настоящего изобретения являются повышение точности и надежности обнаружения отказов датчиков, а следовательно, и повышение работоспособности объекта.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе обнаружения отказов датчиков и контроля исправности объекта, согласно которому датчики соединяют с наблюдателями состояния, построенными на основе модели объекта, причем с одним из наблюдателей соединяют все датчики, а с каждым из остальных - все датчики, кроме одного, определяют взвешенную сумму квадратов невязок всех наблюдателей, осуществляют сравнение значения взвешенной суммы квадратов невязок первого наблюдателя со значениями взвешенных сумм квадратов невязок каждого из остальных наблюдателей, максимальное из значений полученных сигналов разностей сравнивают с пороговым значением и формируют сигнал отказа того датчика, показания которого не использованы в наблюдателе, для которого это значение превышает пороговое, и делают вывод о состоянии датчиков и объекта, новым является то, что для каждого наблюдателя состояния определяют область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта и определяют отказ датчика путем выбора тех наблюдателей состояния, невязки которых при анализе показаний датчиков, выходят за пределы заданной области, причем область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта, определяют из выражений:

Σ_i = g_i•C_i•Q_i•CTi

+h_i•W_i,
где Σ_i - - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора невязок i-го наблюдателя;
Q_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора состояния i-го наблюдателя;
F_i = A_i - K_iC_i - собственная матрица наблюдателя;
q_i, g_i, h_i - скалярные коэффициенты;
G_i, W_i - матрицы предельных отклонений параметров модели.

T - символ транспонирования.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, данное изобретение соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "изобретательский уровень.

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического использования изобретения.

Сущность способа и особенности его осуществления поясняются на примере функционирования системы управления газотурбинного двигателя, где на:
фиг. 1 - блок-схема системы управления газотурбинного двигателя;
фиг. 2 - блок-схема системы обнаружения отказов датчиков.

При работе двигателя 1 с исполнительными механизмами 2 состояние контролируемых параметров (как правило их несколько) фиксируется датчиками 3 (их количество, как правило, соответствует количеству контролируемых параметров). Состояние исполнительных механизмов 2 контролируется датчиками 4. Показания датчиков 3 и 4 поступают в систему 5 обнаружения отказов датчиков, где осуществляется анализ показаний датчиков и формируются признаки отказов датчиков. Признаки отказов датчиков поступают на блок 6 реконфигураций системы, где осуществляется коррекция показаний отказавших датчиков. Скорректированные показания датчиков поступают на соединенные с исполнительными механизмами 2 регуляторы 7.

Для осуществления способа создают модель двигателя и на ее основе строят наблюдатель состояния (H).

В качестве модели двигателя используют упрощенную нелинейную модель вида

Z = C(X - X_b) + D(U - U_b) + Z_b,
где символ b обозначает значение параметра в установившемся состоянии;
X - вектор состояния модели;
U - вектор управляющих воздействий системы;
Z - вектор оценок показаний датчиков;
A, B, C, D - матрицы коэффициентов, заданные как функции условий полета и режима работы двигателя.

На основе модели (1) строятся n + 1 наблюдателей состояния вида



где оценка вектора состояния двигателя i-го наблюдателя,
оценка показаний датчиков i-го наблюдателя,
K_i - матрица коэффициентов i-го наблюдателя,
γ_i - вектор невязок i-го наблюдателя,
i - номер наблюдателя, i = 0...n
Матрицы K_i имеют количество столбцов, равное количеству измеряемых параметров, и могут быть рассчитаны, например, по типу матрицы фильтра Калмана.

Количество наблюдателей состояния (H) на одну единицу больше количества (n) датчиков объекта (двигателя).

С одним из наблюдателей состояния (H₀) соединены все датчики, а с каждым из остальных наблюдателей (H₁...H_n) соединены все датчики, кроме одного.

Для наблюдателя H₀ матрица K₀ используется полностью, а для наблюдателей H₁-H_n в матрицах K_i обнуляется i-й столбец, соответствующий неиспользуемому в данном наблюдателе датчику. Этим обеспечивается нечувствительность наблюдателя из группы H₁-H_n к отказу одного строго определенного датчика.

Для повышения точности и надежности функционирования объекта для каждого из наблюдателей состояния H₁-H_n определяют область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели двигателя.

Отмеченную выше область определяют из выражений

Σ_i = g_i•C_i•Q_i•CTi

+h_i•W_i,
где Σ_i - - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора невязок i-го наблюдателя;
Q_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора состояния i-го наблюдателя;
F_i = A_i - K_iC_i - собственная матрица наблюдателя;
q_i, g_i, h_i - скалярные коэффициенты;
G_i, W_i - матрицы предельных отклонений параметров модели,
T - символ транспонирования.

Уравнения (3) позволяют определять в каждый момент времени область (Σ_i) возможного разброса невязок наблюдателя состояния, вызванных ошибками параметров модели двигателя.

Аппаратные элементы, необходимые для реализации способа, известны, они не являются предметом изобретения и поэтому в материалах заявки не рассмотрены.

При работе объекта информация с датчиков поступает на все наблюдатели состояния H₁-H_n.

Наблюдатель (H₀) формирует оценки показаний всех датчиков, а каждый из наблюдателей (H₁-H_n) формирует оценки показаний всех датчиков, кроме одного.

Далее вычисляют невязки γ_i (разности между фактическими измерениями и оценками) для всех датчиков каждого n+1 наблюдателя и определяют взвешенную сумму невязок для всех наблюдателей по зависимости
W_i = γTi

Σ-1iγ_i,
а далее определяют разности между взвешенными суммами невязок наблюдателя H₀ и всех других наблюдателей (L₁ = W₀ - W_i, .. L_i = W₀ - W_i,.. L_n = W₀ - W_n, ), находят максимальную из вычисленных разностей и сравнении ее с пороговым значением (λ), которое устанавливают исходя из результатов экспериментов по каждому конкретному объекту.

В случае, если (L_i) превышает значение λ, то формируют сигнал отказа F_m(m=i) того датчика, показания которого не использованы в наблюдателе H_i.

Кроме того, взвешенная сумма невязок каждого из наблюдателей (H₁-H_n) сравнивается с фиксированным порогом ϕ(ϕ = 1).
Условие W_i > ϕ означает, что вектор невязок γ_i вышел за пределы области Σ_i возможного расположения невязок.

Отказ F_g g-го датчика фиксируется в том случае, когда для n-2 наблюдателей условия W_i > ϕ (g=i) выполнены и лишь для одного это условие не выполнено.

В результате анализа значений сигналов отказов F_m и F_g в блоке 7 реконфигураций системы принимается решение о возможности дальнейшего использования показаний i-го датчика, или о замене его показаний показаниями резервного датчика, или об использовании вместо показаний датчика оценки его показаний из одного из наблюдателей, в котором не используются показания этого датчика.

При выполнении условия W_i > ϕ для всех наблюдателей или для меньшего числа наблюдателей, чем n-2 означает наличие неисправностей в элементах двигателя 1 или в исполнительных механизмах 2. В этом случае принимается решение о полном отключении регуляторов 7 и переходе на резервное управление.

Предложенный способ позволяет повысить точность и надежность работы объекта за счет определения области возможного расположения невязок наблюдателей, вызванной погрешностями параметров модели.

Способ может быть использован в области систем управления сложных объектов техники, работающих в широком диапазоне режимов и нагрузок, и может быть использовано в системах управления газотурбинных двигателей, турбин электростанций и т. д. Согласно способу датчики соединяют с наблюдателями состояния, построенными на основе модели двигателя (объекта). Причем с одним наблюдателем соединяют все датчики, а с каждым из остальных - все датчики, кроме одного. Определяют взвешенную сумму квадратов невязок всех наблюдателей состояния и осуществляют сравнение значений взвешенной суммы квадратов невязок первого наблюдателя со значениями взвешенных сумм квадратов невязок каждого из остальных наблюдателей. Максимальное из значений полученных сигналов разностей сравнивают с пороговым значением и формируют сигнал отказа того датчика, показания которого не использованы в наблюдателе, для которого это значение превышает пороговое. Причем для каждого наблюдателя определяют область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта, и определяют те наблюдатели, невязки которых выходят за пределы заданной области. Область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта, определяют из выражений:
Q_i = F_iQ_i+Q_iFTi

+q_iQ_i+q-1iG_i;
Σ_i = g_iC_iQ_iCTi+h_iW_i,
где Σ_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора невязок i-го наблюдателя;
Q_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора состояния i-го наблюдателя;
F_i = A_i - K_iC_i - собственная матрица наблюдателя;
q_i, g_i, h_i - скалярные коэффициенты;
G_i, W_i - матрицы предельных отклонений параметров модели;
T - символ транспонирования.

Такой способ позволит повысить точность и надежность обнаружения отказов датчиков. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения отказов датчиков и контроля исправности объекта, при котором датчики соединяют с наблюдателями состояния, построенными на основе модели объекта, причем с одним из наблюдателей соединяют все датчики, а с каждым из остальных - все датчики, кроме одного, определяют взвешенную сумму квадратов невязок всех наблюдателей, осуществляют сравнение значения взвешенной суммы квадратов невязок первого наблюдателя со значениями взвешенных сумм квадратов невязок каждого из остальных наблюдателей, максимальное из значений полученных сигналов разностей сравнивают с пороговым значением и формируют сигнал отказа того датчика, показания которого не использованы в наблюдателе, для которого это значение превышает пороговое, и делают вывод о состоянии датчиков и объекта, отличающийся тем, что для каждого наблюдателя состояния определяют область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта, и определяют отказ датчика путем выбора тех наблюдателей состояния, невязки которых при анализе показаний датчиков выходят за пределы заданной области. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что область возможного расположения невязок, вызванных погрешностями задания параметров модели объекта, определяют из выражений

Σ_i = g_i•C_i•Q_i•CTi

+h_i•W_i,
где Σ_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора невязок i-го наблюдателя;
Q_i - матрица эллипсоида допустимого расположения вектора состояния i-го наблюдателя;
F_i = A_i - K_iC_i - собственная матрица наблюдателя;
q_i, g_i, h_i - скалярные коэффициенты;
G_i, W_i - матрицы предельных отклонений параметров модели;
T - символ транспонирования.