СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2010 года по МПК G05B23/02 

Описание патента на изобретение RU2382391C2

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

Известен способ определения отказавшего датчика, реализованный в [1], включающий измерение каждым датчиком параметра движения и проверку соотношения связи измеренных датчиками параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков.

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 ai, i..=1, 2, … n, где n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров движения, характеризующего исправную работу датчиков, проведение сравнения показаний am каждого датчика на момент времени Tm (m=1, 2, 3, …) нарушения соотношения связи измеренных параметров движения с показаниями a(m-1) того же датчика на момент времени T(m-1)=(m-1)·Т0.

Недостаток этого способа состоит в том, что он не позволяет определить отказавший датчик, если процесс отказа датчика развивается медленно, например, за счет постепенного увеличения сигнала смещения и ухода его за пределы допустимых значений.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет возможности определения отказавшего датчика в условиях медленного изменения сигнала смещения.

Эта задача достигается тем, что способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения ai, где i=1, 2, … n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, отличается тем, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал каждого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) уменьшают до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируют выходной сигнал alf любого контрольного датчика I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s), после чего производят разворот измерительной системы на заданный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторно фиксируют выходной сигнал (alf)н контрольного датчика I, и если разность зафиксированных сигналов alf и (alf)н по модулю превышает заданную величину Δ1, измерительную систему устанавливают в исходное состояние путем поворота на угол минус ψ и затем производят повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и I до тех пор, разность зафиксированных сигналов alf и (alf)н по модулю станет меньше заданного значения Δ1, при этом отказавшим является датчик I.

На чертеже приведена координатная схема, поясняющая расположение измерительных осей датчиков и направления измеряемых параметров вектора движения. На этой схеме: x, у, z, - направление ортогональных осей базиса, относительно которого производится управление, 1, 2, 3, 4 - направление измерительных осей датчиков, а - направление измеряемого вектора движения, αх1, αу1, αz1 - углы между направлением измерительной оси 1 и соответственно измерительными осями x, у, z.

Реализацию предлагаемого способа определения отказавшего датчика рассмотрим на примере измерительной системы с одним избыточным датчиком угловой скорости при управлении движением твердого тела (космического аппарата). В общем случае измерительная система из трех датчиков угловой скорости, измерительные оси которых не лежат в одной плоскости, полностью определяет вектор угловой скорости космического аппарата а. Избыточная система содержит на один датчик больше - четыре датчика угловой скорости, 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 измерительная система содержит четыре датчика (фиг.1), измерительные оси которых направлены по координатным осям 1, 2, 3, 4, а их углы расположения относительно ортогонального базиса x, у, z равны αki (k=x, у, z, i=1, 2, 3, 4). Введем обозначения:

а - вектор движения, ai - измерения (выходные сигналы) датчиков, ak - проекции вектора движения а на оси x, у, z; bki=cos αki - направляющие косинусы [p, r, s] (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) - система из трех выбранных для управления датчиков, I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s) - контрольный датчик, не использующийся в данный момент в управлении, j - сочетания из трех выбранных для управления датчиков p, r, s системы из n датчиков. Для n=4 число таких сочетаний четыре: j=[1, 2, 3], [1, 2, 4], [1, 3, 4], [2, 3, 4], (пусть p=1, r=2, s=3),

- вектор - столбец проекций ak вектора а на оси x, у, z, - матрица 3×3 направляющих косинусов bki выбранного сочетания j датчиков, - вектор-столбец измерений датчиков выбранного сочетания j.

С учетом введенных обозначений имеем

Если aX, aY, aZ - проекции вектора движения а, то имеет место соотношение

где al - измерение (выходной сигнал) датчика измерительной оси I, I - направление измерительной оси, не совпадающей с осями p, r, s (считаем, что каждый из датчиков p, r, s и I расположен соответственно на оси p, r, s и I). Равенство (2) и есть соотношение связи измеренных параметров движения.

Как следует из (2), 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.

Осуществим периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи параметров движения (2) на равенство нулю (на принадлежность к заданному интервалу) величины R. Пусть в некоторый момент времени Tm=m·Т0 (m=1, 2 …) произошло нарушение соотношения связи (2), при котором величина R вышла за пределы дозволенных значений. Зададим измерительной системе с помощью системы управления такое движение, при котором выходные сигналы ap, ar, as датчиков уменьшаются до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина). Зафиксируем выходной сигнал alf контрольного датчика, расположенного по оси I. Пусть нарушение соотношения (2) произошло вследствие выхода за пределы дозволенных значений сигнала смещения датчика 3 (s) и этот сигнал стал равным a3CM. Введем обозначения: a - фактические показания датчика i, ai - достоверные значения параметров движения, измеренные датчиком i, aicм - сигнал смещения датчика i.

Для рассматриваемого случая отказа датчика 3 (сигнал смещения a3см превысил допустимые значения) имеют место соотношения

Если выходные сигналы ap, ar, as датчиков p (1), r (2), s (3) сведены к нулю или меньше некоторого заданного значения Δ, то в результате система будет вращаться относительно оси, перпендикулярной плоскости, образованной осями 1 и 2 с угловой скоростью aBP, при этом проекция aBP на ось 3 будет равна (-a3см), а на ось 4 равна a4вр (см. фиг.1). Показания датчика I (4) будут равны

где φ1 - угол между вектором вращения aBP и осью 3, β1 - угол между вектором вращения aBP и осью 4. Углы φ1 и β1 определяются из (1) с учетом условия (4).

Из (4) имеем

Зафиксируем показания a4f. Осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей (например, относительно оси Z). В качестве угла поворота может быть выбран угол 180° (или другой угол, реализованный в системе). В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором aBP. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения aBP и осью 4 и показание датчика I (4) изменится и станет равным (a4f)н. Если, например, ψ=180°, то (a4f)н=-a4f. Определим разность показаний Δа4 в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=2, r=3, s=4, I=1. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где φ2 - угол между вектором вращения aBP1 и осью 3, β2 - угол между вектором вращения aBP1 и осью I (1). Углы φ2 и β2 определяются из (1) с учетом условия (7).

Зафиксируем показания alf и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол относительно той же оси в исходное положение (поворот на угол минус ψ). В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором aBP1. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения aBP1 и осью 1 и показание датчика I (1) изменится и станет равным (a1f)н. Определим разность показаний Δa1 в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=1, r=3, s=4, I=2. Проделаем описанные выше операции. В этом случае

где φ3 - угол между вектором вращения aBP2 и осью 3, β3 - угол между вектором вращения aBP2 и осью I (2). Углы φ3 и β3 определяются из (1) с учетом условия (10).

Зафиксируем показания a2f и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол ψ относительно той же оси. В этом случае объект управления будет продолжать вращение с угловой скоростью, определяемой вектором aBP2. При этом произойдет изменение угла между вектором вращения aBP2 и осью 2 и показание датчика I (2) изменится и станет равным (a2f)н. Определим разность показаний Δа2 в виде

Выберем другое сочетание датчиков: p=1, r=2, s=4, I=3. Проделаем описанные выше операции. В этом случае при сведении к нулю выходных сигналов исправных датчиков p=1, r=2, s=4 система будет неподвижна (отсутствует вращение) и показания контрольного датчика I (3) будут равны

Зафиксируем показания a3f и осуществим разворот измерительной системы на фиксированный угол относительно той же оси в исходное положение (поворот на угол минус ψ). В этом случае объект управления останется неподвижным. При этом показание датчика I (3) не изменится и будет равным (a2f)н=a3см. Определим разность показаний Δа3 в виде

Выберем малое значение Δ1, на которое могут отличаться показания a3f и (a3f)н. В этом случае будут выполняться соотношения

Таким образом, если в качестве контрольного датчика I выбран отказавший, то при развороте измерительной системы на фиксированный угол после задания системе движения, при котором выходные сигналы ap, ar, as датчиков меньше некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина), показания отказавшего датчика не изменяются.

При использовании известного способа определения отказавшего датчика [2] в случае "медленного " развития отказа, например, за счет увеличения сигнала смещения определение отказавшего датчика в минимально избыточной системе практически не представляется возможным, так как выходные сигналы датчиков на момент времени

Tm нарушения соотношения связи измеренных параметров и на момент времени Tm-1 выполнения соотношения связи измеренных параметров практически будут совпадать и разность Δam показаний am любого датчика на момент времени Tm и показаний am-1 этого же датчика на момент времени Tm-1 будет меньше заданного значения Δ.

Таким образом, рассмотренный способ позволяет определить отказавший датчик в условиях медленного изменения сигнала смещения, 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 измерения параметров движения, фиксации показаний, развороте измерительной системы на заданный угол относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, регистрации изменения показаний и определения отказавшего датчика по результатам изменения показаний.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №613291 от 7.03.78. кл. G05B 15/02, G05D 1/02.

2. Патент Российской Федерации №2244954 от 20.01.2005. кл. G05B 23/02.

Похожие патенты RU2382391C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2006
  • Леденев Геннадий Яковлевич
RU2344459C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2008
  • Леденев Геннадий Яковлевич
RU2403609C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА ДВИЖЕНИЯ В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Леденев Г.Я.
RU2251135C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2005
  • Леденев Геннадий Яковлевич
RU2316036C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2003
  • Леденев Г.Я.
RU2244954C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2006
  • Леденев Геннадий Яковлевич
RU2359307C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ОСИ АКСЕЛЕРОМЕТРА 1999
  • Леденев Г.Я.
  • Лаврищев А.Б.
RU2164693C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА ПРИ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ 2012
  • Тельный Андрей Викторович
RU2529016C1
УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДВУХ И БОЛЕЕ ИНСПЕКЦИОННЫХ ПРОПУСКОВ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА 2013
  • Мирошник Александр Дмитриевич
  • Гурин Сергей Федорович
  • Кирьянов Максим Юрьевич
  • Орлов Вячеслав Викторович
RU2558724C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА КРЕНА ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПО КРЕНУ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 2013
  • Шипунов Аркадий Георгиевич
  • Бабичев Виктор Ильич
  • Морозов Владимир Иванович
  • Шигин Александр Викторович
  • Рабинович Владимир Исаакович
  • Долгова Татьяна Саввовна
  • Акулинин Сергей Игоревич
  • Монькин Валерий Борисович
  • Бальзамов Игорь Анатольевич
RU2527369C1

Реферат патента 2010 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано в системах с избыточным количеством датчиков, например датчиков угловой скорости, 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, характеризующего исправную работу датчиков, фиксации момента нарушения соотношения связи, задании с этого момента движения, при котором выходной сигнал любого из трех выбранных для управления датчиков устанавливается меньше некоторого заданного малого значения Δ, фиксации показаний контрольного датчика, развороте измерительной системы на заданный угол относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторной фиксации выходного сигнала (alf)н контрольного датчика I, регистрации изменения показаний контрольного датчика и определении отказавшего датчика по результатам изменения показаний. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 382 391 C2

Способ определения отказавшего датчика в избыточной измерительной системе, включающий измерение каждым датчиком параметров вектора движения ai, где i=1, 2, … n, n - число датчиков, периодическую с периодом Т0 проверку соотношения связи измеренных параметров вектора движения, по которому определяют отказ датчика, отличающийся тем, что с момента нарушения соотношения связи измеренных параметров системе задают движение, при котором выходной сигнал каждого из трех выбранных для управления датчиков p, r и s (p, r, s=1, 2, … n, p≠r≠s) уменьшают до некоторого заданного значения Δ (Δ - малая величина) и при достижении этого значения фиксируют выходной сигнал alf любого контрольного датчика I (I=1, 2, … n, I≠p≠r≠s), после чего производят разворот измерительной системы на заданный угол ψ относительно оси, не параллельной и не ортогональной ни одной из измерительных осей, и повторно фиксируют выходной сигнал (alf)н контрольного датчика I, и если разность зафиксированных сигналов alf и (alf)н по модулю превышает заданную величину Δ1, измерительную систему устанавливают в исходное состояние путем поворота на угол минус ψ и затем производят повторение описанных процедур для любого другого сочетания датчиков p, r, s и 1 до тех пор, пока разность зафиксированных сигналов alf и (alf)н по модулю станет меньше заданного значения Δ1, при этом отказавшим является датчик I.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2382391C2

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ 2003
  • Леденев Г.Я.
RU2244954C2
Устройство для управления пространственным положением объекта 1976
  • Леденев Геннадий Яковлевич
  • Сапожников Александр Владимирович
SU613291A1
RU 2006126861 A, 27.01.2008
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗАВШЕГО ДАТЧИКА ДВИЖЕНИЯ В ИЗБЫТОЧНОЙ СИСТЕМЕ (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Леденев Г.Я.
RU2251135C2
RU 2006131226 A, 10.03.2008
US 3403874 A, 01.10.1968
US 4851985 A, 25.07.1989
Плита покрытия 1980
  • Прилепский Евгений Александрович
  • Козлов Константин Васильевич
  • Кожевников Виктор Григорьевич
  • Смирнов Валерий Сергеевич
SU945320A1
DE 10133170 A1, 17.01.2002.

RU 2 382 391 C2

Авторы

Леденев Геннадий Яковлевич

Даты

2010-02-20Публикация

2008-04-09Подача