СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления.

Известен способ диагностирования линейных динамических объектов, поиск неисправностей по которому осуществляется в предположении, что в объекте могут иметь место только одиночные параметрические отклонения (Авторское свидетельство СССР N 1300419, М. кл. G 05 В 23/02,1987 ).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ диагностирования апериодических звеньев (Положительное решение от 18.06.97 по заявке N 96112627/09(018726)), основанный на интегрировании выходного сигнала звена с весом l^-αt, где α - вещественная константа.

Известно устройство диагностирования линейных динамических объектов, применение которого позволяет осуществлять поиск одиночных параметрических неисправностей (Авторское свидетельство СССР N 1300419, М. кл. G 05 В 23/02, 1987).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство диагностирования апериодических звеньев (Положительное решение от 18.06.97 по заявке N 96112627/09(018726)), которое содержит источник тестового воздействия, блоки формирования нелинейной функции, перемножения, интегрирования, деления, четыре усилителя, три сумматора.

Недостатком этого способа и устройства является то, что они применимы для диагностирования звеньев конкретного вида и не позволяют осуществлять диагностирование двух разных звеньев, включенных встречно - параллельно (обратная связь).

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа для диагностирования динамических звеньев, включенных в контур обратной связи (фиг.1).

Указанная цель достигается тем, что предлагается новая совокупность действий.

1. В качестве объекта диагностирования рассматривается система, состоящая из двух динамических элементов, включенных, как показано на фиг. 1. Входной сигнал и сигналы с выходов 1 и 2 используются для диагностирования с глубиной до динамического элемента (блока).

2. Предварительно определяют время контроля объекта T_k из соотношения T_k≥T_пп, где T_пп - время переходного процесса объекта. Время переходного процесса оценивается для номинальных значений параметров объекта.

3. Определяют номинальные значения диагностических параметров динамических элементов, для чего на вход исправного объекта диагностирования подают тестовый сигнал. В качестве тестового сигнала может быть использован один из стандартных тестовых сигналов - ступенчатый, прямоугольный импульсный, линейно возрастающий, гармонический.

4. Входной тестовый сигнал и сигналы с выходов 1 и 2 объекта интегрируют на интервале времени от 0 до T_k с весом l^-αt, где вещественная константа. Выходные сигналы интеграторов после интегрирования есть оценки изображений по Лапласу соответствующих сигналов объекта диагностирования: X(α) - входного сигнала; Y₁(α) - выходного сигнала объекта для выхода 1; Y₂(α) - выходного сигнала объекта для выхода 2.

5. Полученные оценки изображений Y₁(α) и Y₂(α) подают на первые входы делительных устройств, на вторые входы (делитель) подают сигнал X(α). Сигналы на выходах делительных устройств есть оценки передаточных функций объекта для выходов 1 и 2 при вещественных значениях переменной Лапласа p = α:


В свою очередь, для встречно - параллельного соединения с отрицательной обратной связью справедливы соотношения для оценок передаточных функций замкнутой системы для выходов 1 и 2:


где W₁(α) - передаточная функция первого динамического элемента (в прямой цепи ); W₂(α) - передаточная функция второго динамического элемента ( в цепи обратной связи ).

Эти соотношения позволяют по оценкам W₀₁(α) и W₀₂(α) найти значения диагностических параметров динамических элементов, в качестве которых удобно использовать значения W₁(α) и W₂(α). Поделив выражение (2) на (1), находим:

6. Сигнал W₀₂(α) подают на первый вход блока деления, на второй вход которого (делитель) подают сигнал W₀₁(α). На выходе блока деления получают сигнал, численно равный W₂(α) - диагностическому параметру второго динамического элемента.

7. Сигнал W₂(α) подают на первый вход сумматора, на второй (инвертирующий) вход подают напряжение уставки и, изменяя его величину, добиваются минимального по модулю значения сигнала на выходе сумматора. Полученное напряжение уставки считают номинальным значением диагностического параметра второго динамического элемента W_2ном(α).
8. Диагностический параметр первого динамического элемента W₁(α) находят из соотношения,полученного из выражения (1):

для чего на первый вход блока деления подают сигнал W₀₁(α), а на второй вход - разность двух сигналов: единичной амплитуды и сигнала W₀₂(α).
9. Выходной сигнал блока деления, численно равный оценке диагностического параметра первого динамического элемента W₁(α), подают на первый вход сумматора, на втором (инвертирующем) входе которого изменяют напряжение уставки, добиваясь минимальных по модулю значений сигнала на его выходе. Полученное напряжение уставки принимают за номинальное значение диагностического параметра первого динамического элемента W_1ном(α).
10. Затем переходят к диагностированию, для чего заменяют исправный объект на объект диагностирования и при неизменных, определенных ранее значениях напряжений уставки W_1ном(α) и W_2ном(α) и параметрах входного тестового сигнала выполняют операции, изложенные выше в пунктах 4-6, 8, и по отклонению диагностических параметров от номинальных судят о наличии неисправностей в динамических элементах 1 и 2.

Следует отметить, что предлагаемый способ является универсальным относительно вида передаточных функций динамических элементов объекта диагностирования, поскольку никаких ограничений на тип звеньев при реализации способа не накладывалось. Кроме того, способ позволяет диагностировать одновременное появление неисправностей в обоих динамических элементах объекта, поскольку предполагает одновременный контроль каждого из двух диагностических параметров блоков.

Описанный способ реализован в устройстве, функциональная схема которого представлена на фиг. 2,
где 1 - схема запуска;
2 - источник тестового сигнала;
3 - блок формирования нелинейной функции l^-αt;
4 - первый блок объекта диагностирования;
5 - второй блок объекта диагностирования;
6 - первый блок перемножения;
7 - первый блок интегрирования;
8 - второй блок перемножения;
9 - второй блок интегрирования;
10 - первый блок деления;
11 - третий блок перемножения;
12 - третий блок интегрирования;
13 - второй блок деления;
14 - третий блок деления;
15 - первый сумматор;
16 - четвертый блок деления;
17 - второй сумматор;
18 - первая схема допускового контроля;
19 - третий сумматор;
20 - вторая схема допускового контроля;
21 - первый усилитель;
22 - второй усилитель.

На фиг. 3 представлена структурная схема аналогового устройства, реализующего способ.

Выход схемы запуска 1 соединен с управляющими входами источника тестового сигнала 2 и блока формирования нелинейной функции 3, выход источника тестового сигнала 2 соединен со входом объекта диагностирования 4 -5 и первым входом первого блока перемножения 6, второй вход которого соединен с выходом блока формирования нелинейной функции 3, выход первого блока перемножения 6 соединен с сигнальным входом первого блока интегрирования 7, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска 1, выход первого блока объекта диагностирования 4 соединен с первым входом второго блока перемножения 8, второй вход которого соединен с выходом блока формирования нелинейной функции 3, выход второго блока перемножения 8 соединен с сигнальным входом второго блока интегрирования 9, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска 1, выход второго блока интегрирования 9 соединен с первым входом (делимое) первого блока деления 10, второй вход которого (делитель) соединен с выходом первого блока интегрирования 7, выход второго блока объекта диагностирования 5 соединен с первым входом третьего блока перемножения 11, второй вход которого соединен с выходом блока формирования нелинейной функции 3, выход третьего блока перемножения 11 соединен с сигнальным входом третьего блока интегрирования 12, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска, выход третьего блока интегрирования 12 соединен с первым входом второго блока деления 13, второй вход которого (делитель) соединен с выходом первого блока интегрирования 7, выход первого блока деления 10 соединен с первым входом третьего блока деления 14, второй вход которого (делитель) соединен с выходом первого сумматора 15, выход второго блока деления 13 соединен с первым (инвертирующим) входом первого сумматора 15 и первым входом четвертого блока деления 16, второй (неинвертирующий) вход первого сумматора 15 предназначен для подачи напряжения единичной амплитуды, выход первого блока деления 10 соединен со вторым (делитель) входом четвертого блока деления 16, выход третьего блока деления 14 соединен с первым (неинвертирующим) входом второго сумматора 17, второй (инвертирующий) вход которого предназначен для подачи напряжения уставки W_1ном(α), выход второго сумматора 17 соединен с сигнальным входом первой схемы допускового контроля 18, выход четвертого блока деления 16 соединен с первым (неинвертирующим) входом третьего сумматора 19, второй (инвертирующий) вход которого служит для подачи напряжения уставки W_2ном(α), выход третьего сумматора 19 соединен с сигнальным входом второй схемы допускового контроля 20, выход первого усилителя 21 соединен с управляющим входом первой схемы допускового контроля 18, вход первого усилителя 21 предназначен для подачи напряжения уставки W_1ном(α), выход второго усилителя 22 соединен с управляющим входом второй схемы допускового контроля 20, вход второго усилителя 22 предназначен для подачи напряжения уставки W_2ном(α).
Устройство работает следующим образом.

Схема запуска 1 одновременно запускает источник тестового сигнала 2, блок формирования нелинейной функции 3, блоки интегрирования 7,9 и 12. Тестовый сигнал (ступенчатый, линейный, импульсный или гармонический) подается на вход объекта диагностирования и на вход блока перемножения 6, на второй вход которого подается сигнал l^-αt с выхода блока формирования нелинейной функции 3, произведение тестового сигнала и сигнала l^-αt подается на вход первого блока интегрирования 7, на выходе которого появляется сигнал, численно равный оценке изображения входного сигнала X(α). Сигнал с выхода первого блока объекта диагностирования 4 подается на первый вход второго блока перемножения 8, на второй вход которого подается сигнал l^-αt с выхода блока формирования нелинейной функции 3, произведение этих сигналов интегрируется вторым блоком интегрирования 9, на выходе которого формируется сигнал, численно равный оценке изображения Y₁(α) выходного сигнала первого блока 4 объекта диагностирования. Аналогично сигнал с выхода второго блока 5 объекта диагностирования подается на один из входов третьего блока перемножения 11, на второй вход которого подается нелинейный сигнал l^-αt, произведение нелинейного и выходного сигналов интегрируется третьим блоком интегрирования 12, на выходе этого блока формируется сигнал, численно равный оценке изображения Y₂(α) выходного сигнала второго блока 5 объекта диагностирования. Выходной сигнал второго блока интегрирования 9 подается на первый вход первого блока деления 10, на второй вход которого (делитель) подается оценка изображения входного сигнала X(α) с выхода первого блока интегрирования 7. Сигнал на выходе блока деления 10 представляет собой оценку передаточной функции объекта диагностирования W₀₁(α) для первого выхода (выхода первого блока 4 объекта диагностирования). Выходной сигнал третьего блока интегрирования 12 подается на первый вход второго блока деления 13, на второй вход которого (делитель) подается оценка изображения входного сигнала X(α) с выхода первого блока интегрирования 7. Выходной сигнал блока деления 13, представляющий собой оценку передаточной функции объекта диагностирования W₀₂(α) для второго выхода (выхода второго блока 5 объекта диагностирования), подается на первый вход блока деления 16, на второй вход которого (делитель) подается сигнал с выхода первого блока деления 10, на выходе четвертого блока деления 16 формируется сигнал, равный оценке передаточной функции второго блока объекта диагностирования W₂(α). Выходной сигнал второго блока деления 13, равный оценке W₀₂(α), подается на инвертирующий вход сумматора 15, на второй вход которого подается сигнал единичной амплитуды. Выходной сигнал сумматора 15, равный разности 1 1-W₀₂(α) подается на делительный вход третьего блока деления 14, на первый вход которого поступает сигнал, равный оценке W₀₁(α). Выходной сигнал третьего блока деления 14 есть оценка передаточной функции первого блока объекта диагностирования W₁(α).
На этапе настройки устройства диагностирования оценки W₁(α) и W₂(α) получают для исправного объекта диагностирования и производят компенсацию этих сигналов изменением уставок W_1ном(α) и W_2ном(α) путем минимизации сигналов на выходах второго и третьего сумматоров 17 и 19 соответственно.

Полученные уставки принимаются в качестве номинальных диагностических параметров динамических элементов (блоков) объекта диагностирования и остаются неизменными, когда вместо исправного объекта к устройству подключается объект диагностирования и производится его тестирование входным сигналом, аналогичным тому, который использовался на этапе настройки устройства. Усилители 21 и 22 имеют коэффициенты усиления β₁< 1, β₂< 1 и служат для получения опорных напряжений схем допускового контроля 18 и 20 соответственно. Опорные напряжения определяют максимально допустимые отклонения диагностических параметров ΔW₁(α) и ΔW₂(α).
Схемы допускового контроля 18 и 20 представляют собой нелинейные блоки с релейной статической характеристикой, представленной на фиг. 4. Выходной сигнал блока допускового контроля принимает значение 0 при нахождении диагностического параметра в зоне допуска (-ΔW, +ΔW) и значение 1 - при выходе диагностического параметра за пределы указанного интервала. Допустимые относительные отклонения диагностических параметров задаются коэффициентами усиления первого и второго усилителей 21 и 22:

Использование одних и тех же электронных блоков как на этапе получения номинальных диагностических параметров W_1ном(α) и W_2ном(α), так и на этапе их контроля, позволяет устранить ошибки диагностирования, связанные с неадекватностью номинальной модели, погрешностями операционных блоков и блоков формирования сигналов.

Предлагаемый способ и устройство являются универсальными относительно вида передаточных функций первого и второго блоков объекта диагностирования и позволяют диагностировать объект в динамическом режиме без разрыва обратной связи при одновременном появлении неисправностей в обоих блоках объекта (кратные неисправности).

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления (АСУ). Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей способа и устройства для диагностирования динамических звеньев, включенных в контур обратной связи. В качестве объекта диагностирования рассматривается система, состоящая из двух динамических элементов с обратной связью. Способ диагностирования заключается в том, что предварительно определяют время контроля объекта, интегрируют входной тестовый сигнал и сигналы с выходов объекта, определяют оценки передаточных функций объекта, вычисляют диагностический параметр второго динамического элемента, определяют номинальное значение диагностического параметра второго динамического элемента, определяют диагностический параметр первого динамического элемента, определяют номинальное значение диагностического параметра первого динамического элемента, исправный объект заменяют на объект диагностирования и при неизменных определенных параметрах описанным выше образом определяют диагностические параметры динамических элементов и по их отклонению от номинальных значений определяют наличие неисправностей. Устройство для диагностирования содержит схему запуска, источник тестового сигнала, блок формирования нелинейной функции, первый блок объекта диагностирования, второй блок объекта диагностирования, три блока перемножения, три блока интегрирования, четыре блока деления, три сумматора, две схемы допускового контроля, два усилителя. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ диагностирования динамического объекта с обратной связью, состоящий в том, что фиксируют время контроля динамического объекта T_к ≥ T_пп, где T_пп - время переходного процесса динамического объекта, подают на вход динамического объекта тестовый сигнал и интегрируют выходной сигнал динамического объекта за время контроля T_к с весом e^-αt, где предварительно определяют номинальные значения диагностических параметров и фиксируют их в качестве уставок, при фиксированных значениях которых по отклонению текущих значений диагностических параметров от номинальных судят о наличии неисправностей, отличающийся тем, что в качестве диагностируемого динамического объекта рассматривают систему, состоящую из двух динамических элементов, включенных встречно-параллельно, выходные сигналы каждого из которых используют для определения диагностических параметров, при определении номинальных значений которых подают тестовый сигнал на вход исправного динамического объекта и одновременно интегрируют тестовый сигнал и выходные сигналы первого y₁(t) и второго y₂(t) динамических элементов с весом e^-αt за время контроля T_к, полученные интегральные оценки выходных сигналов первого Y₁(α) и второго Y₂(α) динамических элементов подают на первые входы первого и второго блоков деления, на вторые входы которых подают интегральную оценку тестового сигнала X(α), выходной сигнал второго блока деления подают на инвертирующий вход первого сумматора, на неинвертирующий вход которого подают сигнал единичной амплитуды, выходной сигнал первого сумматора подают на второй вход третьего блока деления, на первый вход которого подают выходной сигнал первого блока деления, на выходе третьего блока деления получают сигнал, равный оценке диагностического параметра W₁(α) первого динамического элемента, выходной сигнал третьего блока деления подают на неинвертирующий вход второго сумматора и, изменяя напряжение на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на выходе второго сумматора, полученное напряжение на втором входе второго сумматора фиксируют как номинальное значение W_1ном(α) диагностического параметра первого динамического элемента, выходной сигнал W₀₂(α) второго блока деления подают на первый вход четвертого блока деления, на второй вход которого подают сигнал W₀₁(α) с выхода первого блока деления, на входе четвертого блока деления получают сигнал, равный оценке диагностического параметра W₂(α) второго динамического элемента, который подают на неинвертирующий вход третьего сумматора и, изменяя величину напряжения на инвертирующем его входе, добиваются минимального по модулю напряжения на выходе третьего сумматора, полученное напряжение на инвертирующем входе третьего сумматора фиксируют как номинальное значение W_2ном(α) диагностического параметра второго динамического элемента, затем переходят к диагностированию, для чего замещают исправный динамический объект диагностируемым и выполняют операции, определенные выше, при фиксированных значениях определенных ранее уставок, соответствующих W_1ном(α) и W_2ном(α), по отклонению текущих значений W₁(α) и W₂(α) диагностических параметров динамических звеньев от номинальных судят о наличии неисправностей в динамических элементах. 2. Устройство для диагностирования динамического объекта с обратной связью, содержащее схему запуска, источник тестового сигнала, блок формирования нелинейной функции, первый блок перемножения, первый блок интегрирования, первый блок деления, две схемы допускового контроля, три сумматора, два усилителя, выход схемы запуска соединен с управляющим входом источника тестового сигнала, выходом подключенного к входу динамического объекта, и с управляющими входами блока формирования нелинейной функции и первого блока интегрирования, выход блока формирования нелинейной функции соединен со вторым входом первого блока перемножения, выход которого соединен с сигнальным входом первого блока интегрирования, подключенного выходом к второму входу первого блока деления, второй вход первого сумматора предназначен для подачи напряжения единичной амплитуды, выходы второго и третьего сумматоров соединены соответственно с сигнальными входами первой и второй схем допускового контроля, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго усилителей, отличающееся тем, что динамический объект выполнен в виде двух блоков, а в устройство введены дополнительно второй и третий блоки перемножения, второй и третий блоки интегрирования, а также второй, третий и четвертый блоки деления, причем выход источника тестового сигнала соединен с первым входом первого блока перемножения, выход первого блока динамического объекта соединен с первым входом второго блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования нелинейной функции, выход второго блока перемножения соединен с сигнальным входом второго блока интегрирования, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска, выход второго блока интегрирования соединен с первым входом первого блока деления, выход второго блока динамического объекта соединен с первым входом третьего блока перемножения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования нелинейной функции, выход третьего блока перемножения соединен с сигнальным входом третьего блока интегрирования, управляющий вход которого соединен с выходом схемы запуска, выход третьего блока интегрирования соединен с первым входом второго блока деления, второй вход которого соединен с выходом первого блока интегрирования, выход первого блока деления соединен с первым входом третьего блока деления, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход второго блока деления соединен с первым входом первого сумматора и первым входом четвертого блока деления, выход первого блока деления соединен со вторым входом четвертого блока деления, выход третьего блока деления соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого предназначен для подачи напряжения уставки, соответствующей W_1ном(α), выход четвертого блока деления соединен с первым входом третьего сумматора, вторй вход которого служит для подачи напряжения уставки, соответствующей W_2ном(α), вход первого усилителя предназначен для подачи напряжения уставки, соответствующей W_1ном(α), вход второго усилителя предназначен для подачи напряжения уставки, соответствующей W_2ном(α), где W_1ном(α) и W_2ном(α) - номинальные значения диагностического параметра соответственно первого и второго блоков динамического объекта.