СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2013 года по МПК G05B23/00 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ поиска неисправного блока в динамической системе (Патент на изобретение №2439648 от 10.01.2012 по заявке №2010142159/08(060530), МКИ⁶ G05B 23/02, 2012), основанный на многократном интегрировании выходного сигнала блока с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , где α_l - вещественная константа, l - количество констант.

Недостатком этого способа является то, что он использует несколько моделей с пробными отклонениями параметров передаточных функций блоков.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Патент на изобретение №2439647 от 10.01.2012 по заявке №2011100409/08(000540), МКИ⁶ G05B 23/02, 2012).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Это достигается путем применения многократного вычисления интегральных оценок динамических характеристик для нескольких различных значений параметра интегрирования α₁, α₂…α_n.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n системы для n значений параметра интегрирования α_l, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ для n блоков интегрирования, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, …, k; i=1, 2, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный. Затем определяют нормированные значения вектора топологических связей для каждого блока из соотношения

$${\hat{P}}_{ji}\frac{P_{ji}}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_{ri}^2}},\left(1\right)$$

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы F_j(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n для k контрольных точек и для n параметров интегрирования α_l, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений

ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n,

определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для n параметров интегрирования из соотношения

$$\Delta {\hat{F}}_{{}_j}({\alpha }_l)=\frac{\Delta F_j({\alpha }_l)}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}\Delta F_r^2({\alpha }_l)}},\left(2\right)$$

определяют диагностические признаки при n параметрах интегрирования из соотношения

$$J_i=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left\{1-{\left[\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}{\hat{P}}_{ji}\cdot \Delta {\hat{F}}_j({\alpha }_l)\right]}^2\right\},i=\mathrm{1,}\dots ,m\left(3\right)$$

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций.

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля T_K≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют n параметров кратных 5/T_k многократного интегрирования сигналов.

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, …, k; i=1, 2, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение 1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный.

6. Определяют нормированные значения элементов вектора топологических связей для каждого блока из соотношения

$${\hat{P}}_{ji}\frac{P_{ji}}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_{ri}^2}}$$ .

7. Подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.

8. Регистрируют реакцию системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном (α_l), j=1, …, k; l=1, …, n системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование (при n параметрах α_l) сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ для чего сигналы системы управления подают на первые входы k·n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют.

9. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).

10. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, осуществляя операции, описанные в пункте 8 применительно к контролируемой системе.

11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений

ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n.

12. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы по формуле

$$\Delta {\hat{F}}_j({\alpha }_l)=\frac{\Delta F_j({\alpha }_l)}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}\Delta F_r^2({\alpha }_l)}},\text{j}=\text{1}\text{,}\dots \text{,k;l}=\text{1}\text{,}\dots \text{,n}$$ .

13. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока (при n параметрах интегрирования) по формуле (3).

14. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже (см. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков

$$W_1=\frac{k_1(T_{1}p+1)}{p}$$ ; $$W_2=\frac{k_2}{T_{2}p+1}$$ ; $$W_3=\frac{k_3}{T_{3}p+1}$$ ,

где номинальные значения параметров: T₁=5 с; K₁=1; K₂=1; Т₂=1 с; K₃=1; Т₃=5 с.

При моделировании в качестве входного сигнала будем использовать единичное ступенчатое воздействие. Время контроля Т_к выберем равным 10 с.

Определим элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, 3; i=1, 2, 3, знак передачи сигнала от выхода первого блока (1) до первой контрольной точки положителен, поэтому P₁₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до второй контрольной точки положителен, поэтому P₂₁=1, знак передачи сигнала от выхода первого блока до третьей контрольной точки положителен, поэтому P₃₁=1, таким образом, вектор топологических связей первого блока будет иметь вид P₁=(1,1,1). Для второго блока (2) знак передачи сигнала от его выхода до первой контрольной точки отрицателен, а для второй и третьей контрольных точек - положителен, поэтому вектор топологических связей для второго блока будет иметь вид P₂=(-1,1,1). Для третьего блока (3) вектор топологических связей будет иметь вид P₃=(-1,-1,1).

Моделирование процессов поиска дефектов в первом блоке (в виде уменьшения параметра k₁ на 20%) приводит к вычислению диагностических признаков при трех параметрах интегрирования (α₁=0.5, α₂=0.1 и α₃=2.5) по формуле (3): J₁=0.248, J₂=0.9372, J₃=0.5806. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.3326.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока (в виде уменьшения параметра k₁ на 20%) при одном параметре интегрирования α=0.5: J₁=0.2237; J₂=0.9954; J₃=0.5093. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0.2856.

Приведенные результаты показывают, что фактическая различимость нахождения дефектов этим способом выше, следовательно, выше будет и помехоустойчивость способа.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.

Таким образом, различимость дефектов при реализации заявляемого способа выше, чем при реализации прототипа.

Областью применения является область контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Результат достигается за счет того, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы на интервале в контрольных точках и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов системы для значений параметра интегрирования, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления для параметров интегрирования в каждой из контрольных точек с весами путем подачи на первые входы блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы для блоков интегрирования, выходные сигналы блоков перемножения подают на входы блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, фиксируют число блоков системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки, элементы определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение l определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный. Затем определяют нормированные значения вектора топологических связей для каждого блока, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для контрольных точек и для параметров интегрирования, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для контрольных точек и параметров интегрирования от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы для параметров интегрирования, определяют диагностические признаки при параметрах интегрирования, по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения $$\alpha =\frac{5}{T_K}$$ , используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,T_K], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений α переменной Лапласа, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k исправной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами $$e_1^{-\alpha t}$$ , где $$\alpha =\frac{5}{T_K}$$ путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал $$e_1^{-\alpha t}$$ , выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном (α), j=1, …, k регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, …, k; i=1, …, m, элементы P_ji определяют из множества значений {-1,0,1}, значение -1 определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отрицательный, значение 0 определяют, если передача сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки отсутствует, значение l определяют, если знак передачи сигнала от выхода i-го блока до j-й контрольной точки положительный, определяют нормированные значения элементов вектора топологических связей для каждого блока из соотношения $${\hat{P}}_{ji}\frac{P_{ji}}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}{P}_{ri}^2}}$$ , вычисляют диагностические признаки, по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что определяют n параметров интегрирования сигналов α₁ кратные $$\frac{5}{T_K}$$ , в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для n вещественных значений α₁, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек для n параметров интегрирования с весами $$e_1^{-\alpha t}$$ , l=1, …, n путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e_1^{-\alpha t}$$ , l=1, …, n, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений
ΔF_j(α₁)=F_j(α₁)-F_jном(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n,
определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения:
$$\Delta \hat{F}({\alpha }_l)=\frac{\Delta F_j({\alpha }_l)}{\sqrt{\underset{r=1}{\overset{k}{\Sigma }}\Delta F_r^2({\alpha }_l)}},$$
определяют диагностические признаки из соотношения:
$$J_i=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left\{1-{\left[\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}{\hat{P}}_{ji}\cdot \Delta {\hat{F}}_j({\alpha }_l)\right]}^2\right\},i=\mathrm{1,}\dots ,m.$$