СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА ДВИЖЕНИЯ В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК G05B15/02 G05D1/02 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например акселерометров, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления.

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения и проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие большого количества избыточных датчиков (сверх трех, не расположенных в одной плоскости и полностью определяющих вектор параметра движения) и не позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков, например при одном.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, реализованный в [2], включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения и периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предполагает наличие двух одинаковых избыточных систем каждая с одним избыточным датчиком, что позволяет определять отказавший датчик. Однако этот способ не позволяет определить отказавший датчик в одной избыточной системе с одним избыточным датчиком.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в любой избыточной системе как при ненулевом векторе движения (а≠ 0), так и при нулевом векторе движения (а→ 0).

Эта задача достигается тем, что при ненулевом векторе движения (а≠ 0) способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, i=1, 2,... n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика, предполагает в момент времени нарушения соотношения связи измеренных параметров движения T_j=j· T₀, где j=1, 2, 3, ... , определение вектора движения a_(j-i) на момент времени T_(j-1)=(j-1)· Т₀ по показаниям датчиков а_i на этот же момент времени, формирование проекций а_iп вектора движения a_j на момент времени T_j в виде а_iп=a_(j-1) cos(α _i+Δ α _i), где α _I - угол между вектором a_(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T_(j-1), Δ α _i - изменение угла α _i за время Т₀, сравнение показания a_ij на момент времени T_j каждого датчика с проекциями a_iп и определение отказавшего i-го датчика, если разность Δ а_i=(a_ij-а_iп) превышает заданное значение.

При нулевом векторе движения (а→ 0) способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а_i и собственного сигнала смещения S_i, i=1, 2,... n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, определяющего отказ датчика, предполагает в момент времени T_j=j· T₀, где j=1, 2, 3,... , сравнение показаний датчиков U_i=S_i+a_i на момент времени T_j с сигналами смещения S_i путем нахождения разности Δ U_i=U_i-S_i и определение отказавшего датчика, для которого разность Δ U_i превышает заданное значение.

На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемого параметра. На этой схеме: 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, a_(j-1) - вектор движения в момент времени Т_(j-1), a_j - положение вектора движения в момент времени T_j, α ₁, α ₂, α ₃, α ₄ - углы между направлением a_(j-1) и соответственно измерительными осями 1, 2, 3, 4, Δ α - угол между направлением a_(j-1) и a_j.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере системы с одним избыточным датчиком - акселерометром при управлении движением твердого тела (космического аппарата). Система управления с одним избыточным датчиком содержит четыре акселерометра (n=4). В общем случае система из трех акселерометров, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор линейного ускорения космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре акселерометра, при этом ни какие три датчика из четырех не лежат в одной плоскости. При отказе одного из четырех датчиков в такой системе существует возможность замены этого датчика, используя показания остальных исправно работающих трех датчиков.

Пусть избыточная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, при этом оси 1, 2, 3 взаимно перпендикулярны, а ось 4 направлена по диагонали куба, ребра которого совпадают с осями 1, 2, 3. Предположим также, что вектор измеряемого параметра (ускорения) а (а≠ 0) составляет с осями 1, 2, 3, 4 соответственно углы α ₁, α ₂, α ₃, α ₄, а угол между осью 4 и осями 1, 2, 3 равен ϕ . Показания датчиков а_i каждой измерительной оси при измерении вектора движения (измеряемого ускорения) а будут соответственно равны

a₁=а· cosα ₁, a₂=а· cosα ₂, а₃=а· соsα ₃, а₄=а· cosα ₄. (1)

В этом случае вектор a можно представить в виде

a=a₁+a₂+a₃ (2)

Спроектируем вектор а на ось 4. В результате будем иметь

а₄=a₁cosϕ .+a₂cosϕ .+а₃соsϕ . (3)

Введем в рассмотрение соотношение связи параметров движения в виде (4)

R=a₁cosϕ .+a₂cosϕ .+а₃соsϕ -а₄ (4)

Как следует из (1) и (3), величина R равна нулю (близка к нулю), если все четыре датчика исправны. В случае отказа датчика величина R не равна нулю (больше некоторого заданного значения), что свидетельствует о неисправности в системе из четырех датчиков. Область изменения величины R∈ Δ может быть определена исходя, например, из погрешности датчика параметра движения. Если относительная погрешность датчика равна δ _а=0,001, а максимально возможное измеряемое ускорение a_мах=100 мс^-2, то заданное значение Δ можно определить в виде

Δ =δ _а·_{aмах=0,1 мс^-2.}

Осуществим периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи параметров движения (4) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу Δ ) величины R. Будем считать, что соотношение связи параметров движения (4) нарушается, если величина R выходит за пределы некоторого заданного значения Δ . Выберем период Т₀ таким, чтобы изменение измеряемого параметра (ускорения а) было незначительным и не превышало некоторого заданного значения δ .

Пусть в некоторый момент времени T_j=j· T₀(j=1, 2, 3... ) произошло нарушение соотношения связи (4), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений Δ . Зафиксируем показания датчиков a_ij на момент времени T_j и показания датчиков a_i(j-1) на момент времени Т_(j-1)=(j-1)· Т₀. Так как за время Т₀ вектор движения а остается практически неизменным, то на момент времени T_(j-1) исправной работы всех датчиков его величина равна a_(j-1) и определяется в соответствии с (2) по показаниям датчиков a_i(j-1). За время Т₀ вектор a_(j-1) может изменить свое положение относительно измерительных осей 1, 2, 3, 4 за счет изменения ориентации объекта и занять положение a_j на четеже. Проекции a_iп вектора движения a_j на измерительные оси в момент времени T_j можно представить в виде

а_iп=a_(j-1)cos(α _i+Δ α _i) (5)

где α _i - угол между вектором a_(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T_(j-1), Δ α _i - изменение угла α _i за время Т₀.

Найдем разность Δ a_i в виде

Δ а_i=(а_ij-а_iп) (6)

В момент времени Т_j для исправно работающих датчиков эта разность останется меньше заданного значения Δ . Для отказавшего датчика значение Δ а_i выйдет за пределы дозволенных значений Δ , что является критерием определения отказавшего датчика. Пусть, например, в момент времени Т_j отказал датчик 2, измерявший ускорение a₂=2 мс^-2. Предположим, что его показания уменьшились в два раза. В этом случае нарушается соотношения связи (4), а величина Δ а₂>Δ , что свидетельствует об отказе датчика 2. После выявления отказавшего датчика его замену можно произвести путем определения из соотношения (4) его показаний, используя показания других трех исправно работающих датчиков (например, при отказе датчика 2 его показания из соотношения (4) определяются в виде a₂=a₄/cosϕ -a₁-a₃).

В общем случае выходной сигнал i-го датчика (i=1, 2,... n) U_i можно представить в виде

U_i=S_i+a_i=M_ia_qi,₍₇₎

где S_i - сигнал смещения датчика, a_i - измеряемый параметр движения, M_i - масштабный коэффициент, a_qi - выходной сигнал чувствительного элемента датчика, причем,

a_qi=a_ci+a_рi,(8)

где a_ci и a_pi - соответственно сигнал смещения и полезный сигнал чувствительного элемента датчика.

Отказ датчика сопровождается либо изменением сигнала смешения a_ci чувствительного элемента, либо изменением масштабного коэффициента M_i. Как следует из (7) и (8), при любом отказе происходит изменение сигнала смещения S_i датчика. Для датчиков параметра движения сигнал смещения представляет, как правило, известную стабильную в определенных условиях величину, закон изменения которой, например, от температуры заранее известен.

Движение в пространстве в общем случае можно представить в виде двух вариантов: 1) вектор движения а отличен от нуля (а≠ 0) и по модулю больше некоторого значения Δ (| а| >Δ ), 2) вектор движения а близок к нулю (а→ 0) и по модулю меньше некоторого значения Δ (| а| <Δ ). Вектор движения а во втором случае будем считать нулевым и обозначать а→ 0.

При нулевом векторе движения (а→ 0) отказ датчика типа "обрыв" (отсутствие выходного сигнала), как правило, не приводит к нарушению соотношения связи измеренных параметров (4), так как значение сигнала смещения датчика S_i обычно меньше допустимого значения сигнала, который определяет, что соотношение (4) нарушено (при отказе типа "обрыв" и при а→ 0 в уравнении связи (4) в качестве сигнала a_i будет использован сигнал S_i отказавшего датчика, так как при указанном отказе выходной сигнал датчика U_i равен нулю, а из соотношения (7) следует, что S_i=-а_i). В этом случае соотношение связи измеренных параметров (4) не позволяет установить факт отказа датчика.

Рассмотрим возможность определения отказавшего датчика в случае, когда вектор ускорения а→ 0 (свободный полет объекта в космическом пространстве).

Пусть в момент времени T_j=j· T₀, где j=1, 2, 3,... , вектор ускорения а→ 0, а соотношение связи измеренных параметров (4) не нарушено. В этом случае образуем разность Δ U_i в виде

Δ U_i=U_i-S_i. (9)

При отказе одного из датчиков (изменение сигнала смещения а_сi или изменение масштабного коэффициента М_i) показание отказавшего датчика U_i будет отличаться от известного значения сигнала смещения S_i этого же датчика и разность Δ U_i выйдет за пределы заданного значения Δ S, что свидетельствует об отказе этого датчика. Пусть, например, сигнал смещения отказавшего датчика S_i=10^-2 мс^-2, допустимое значение Δ S=5· 10^-3 мс^-2, значение Δ =10^-1 мс^-2. Предположим, что у отказавшего датчика увеличился масштабный коэффициент в 5 раз. При а→ 0 выходной сигнал отказавшего датчика U_i в соответствии с (7) и (8) будет равен 5· 10^-2 мс^-2, а фактический сигнал смещения отказавшего датчика S_i=10^-2 мс^-2. При таком отказе значение Δ U_i=4· 10^-2 мс^-2, что превышает значение Δ S=5· 10^-3 мс^-2, при этом соотношение связи измеренных параметров (4) не нарушено (R<Δ =10^-1 мс^-2).

Таким образом, рассмотренный способ определения отказавшего датчика в избыточной системе позволяет определить отказавший датчик при любом числе избыточных датчиков как в условиях ненулевого вектора движения (а≠ 0), так и в условиях нулевого вектора движения (а→ 0), что расширяет функциональные возможности системы управления.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”. Реализация способа определения отказавшего датчика предполагает проведение стандартных операций фиксации параметров, их сравнение с заданным значением и по результатам сравнения определение отказавшего датчика.

Литература.

1. Авторское свидетельство СССР N 613291 от 07.03.78, кл. G 05 B 15/02, G 05 D 1/02.

2. Авторское свидетельство СССР N 489078 от 30.06.75, кл. G 05 B 15/02, G 05 D 1/02.

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например акселерометров, отказ одного из которых не должен приводить к отказу системы управления. Способ определения отказавшего датчика в избыточной системе основан на периодической проверке соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, фиксацию момента нарушения соотношения связи, сравнение показаний датчиков на этот момент и вычисленных значений с использованием показаний датчиков на момент, предшествующий отказу, и определение по результатам сравнения отказавшего датчика. Способ определения отказавшего датчика расширяет функциональные возможности и может быть использован как при ненулевом векторе движения (а≠0), так и при нулевом векторе движения (а→0), когда соотношение связи измеренных параметров движения не определяет факт отказа датчика, а сравнение показаний датчиков с сигналами смещения позволяет определить отказавший датчик. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения a_i, i=1, 2, ...n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т_о проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что в момент времени нарушения соотношения связи измеренных параметров движения T_j=j·T₀, где j=1, 2, 3, ..., определяют вектор движения a_(j-1) на момент времени T_(j-1)=(j-1)·Т₀ по показаниям датчиков а_i на этот же момент времени, производят формирование проекций а_iп вектора движения a_j на момент времени T_j в виде а_iп a_(j-1) cos(α_i+Δα_i), где α_i - угол между вектором a_(j-1) и измерительной осью i-го датчика на момент времени T_(j-1), Δα_i - изменение угла α_i за время Т₀, сравнивают показания a_ij на момент времени T_j каждого датчика с проекциями а_iп, а отказавший i-й датчик определяют, если разность Δα_i=(а_ij-а_iп) превышает заданное значение.2. Способ определения отказавшего датчика движения в избыточной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения а_i и собственного сигнала смещения s_i, i=1, 2, ...n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т₀ проверку соотношения связи измеренных параметров движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что при нулевом векторе движения (а→0) в момент времени T_j=j·T₀, где j=1, 2, 3, ..., производят сравнение показаний датчиков U_i=s_i+а_i на момент времени T_j с сигналами смещения s_i путем нахождения разности ΔU_i=U_i-s_i и определяют отказавший датчик, для которого разность ΔU_i превышает заданное значение.