СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В ДИСКРЕТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2013 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Патент на изобретение №2444774 от 10.03.2012 по заявке №2011101271/08(001575), МКИ ⁶ G05B 23/02, 2012), основанный на поиске дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков.

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), МКИ ⁶ G05B 23/02, 2012).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов только в непрерывной динамической системе.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является применение способа для поиска дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1, …, k для N дискретных тактов диагностирования t∈[1,N] с дискретным постоянным шагом Ts на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов $$F{j}_{ном}(\alpha )={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}},$$ j=1, …, k дискретной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами $$e^{-\alpha t{T}_S}$$ ,

где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}},$$

путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал $$e^{-\alpha t{T}_S}$$ с шагом Ts секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав дискретной 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 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

$${\widehat{P}}_{ji}=\frac{P_{ji}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k{P}_{ri}^2}}},(1)$$

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра дискретного интегрального преобразования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы из соотношения

$$\Delta {\widehat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F_j(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2}(\alpha )}},(2)$$

определяют диагностические признаки из соотношения

$$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k{\widehat{P}}_{ji}\cdot \Delta {\widehat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2,i=\mathrm{1,}\dots ,m,(3)$$

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 дискретной динамической системы рассматривают систему, например с дискретной интерполяцией нулевого порядка, с шагом дискретизации Ts, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых одиночных дефектов блоков m.

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

3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}.$$

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав дискретной 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 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:

$${\widehat{P}}_{ji}=\frac{P_{ji}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k{P}_{ri}^2}}}.$$

7. Подают тестовый сигнал (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_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[1,N] с дискретным шагом Ts секунд на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов $$F_{j_{ном}}(\alpha )={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e}{}^{-\alpha \cdot t\cdot T_S},$$ j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами $$e{}^{-\alpha t{T}_S},$$ с дискретным шагом Ts секунд, где, $$\alpha =\frac{5}{T_{к}},$$ для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал $$e{}^{-\alpha t{T}_S}$$ с шагом Ts секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов $$F_{j{}_{ном}}(\alpha )$$ , j=1, …, k регистрируют.

9. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал.

10. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек $$F_j(\alpha )={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_j(t)\cdot e{}^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , j=1, …, k, осуществляя операции, описпнные в пункте 8 применительно к контролируемой системе.

11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений $$\Delta F_j(\alpha )=F_j(\alpha )-F_{j_{ном}}(\alpha )$$ , j=1, …, k.

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

$$\Delta {\widehat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F_j(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2}}(\alpha )}$$ .

13. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле (3).

14. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

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

Дискретные передаточные функции блоков:

$$$$ $$H_1(z_1)=\frac{k_1(z-Z_1)}{z-Q_1}$$ ; $$H_2(z)=\frac{k_2}{z-Q_2}$$ ; $$H_3(z)=\frac{k_3}{z-Q_3}$$ ,

номинальные значения параметров: K₁=5; Z₁=0.98; К₂=0.09516; Q₂=0.9048; К₃=0.0198; Q₃=0.9802. Определим элементы топологических связей каждого блока, входящего в состав дискретной системы для каждой контрольной точки P_ji, j=1, 2, 3; i=1, 2, 3, знак передачи сигнала от выхода первого блока 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 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 вектор топологических связей будет иметь вид: P₃=(-1,-1,1). При поиске одиночного структурного дефекта в виде отклонения коэффициента усиления на 20% (k₁=4) в первом звене, при подаче ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, получены значения диагностических признаков по формуле (3): J₁=0.4621; J₂=0.8476; J₃=0.5936. Анализ значений диагностических признаков показывает, что дефект в первом структурном блоке контролируемой системы находится правильно.

Моделирование процессов поиска структурного дефекта при других случаях его проявления для данного дискретного объекта диагностирования, при том же параметре интегрального преобразования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра k₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.9464; J₂=0.3196; J₃=0.8524.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра k₃ на 20%, дефект №3): J₁=0.477; J₂=0.9431; J₃=0.2565.

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

Областью применения является область контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Технический результат - возможность применения способа для поиска дефектов в дискретной динамической системе с произвольным соединением блоков. Результат достигается за счет того, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы для дискретных тактов диагностирования с дискретным постоянным шагом на интервале наблюдения в контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов дискретной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом в секундах в каждой из контрольных точек с дискретными весами путем подачи на первые входы блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал с шагом в секундах, выходные сигналы блоков перемножения подают на входы блоков дискретного интегрирования с шагом в секундах, дискретное 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 дискретной 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-q 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, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для контрольных точек для параметра дискретного интегрального преобразования, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для контрольных точек от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы, определяют диагностические признаки, по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в дискретной 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 $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , используют тестовый сигнал на интервале [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 на интервале [0,Т_К] 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 экспоненциальными весами, путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал, 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, 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, ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения
$$\Delta {\widehat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F{}_j\left(\alpha \right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta F_n^2}\left(\alpha \right)}},$$
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 1 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
$${\widehat{P}}_{ji}=\frac{P_{ji}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k{P}_{ri}^2}}},$$
вычисляют диагностические признаки из соотношения
$$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k{\widehat{P}}_{ji}\cdot \Delta {\widehat{F}}_j\left(\alpha \right)}\right]}^2$$ , i=1, …, m,
по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы f_jном(t), j=1, 2, …, k для N дискретных тактов диагностирования t∈[1,N] $$$$ с дискретным постоянным шагом Ts на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k дискретной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом Ts секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами $$e{}^{-\alpha t{T}_S}$$ с шагом Ts секунд, где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал $$e{}^{-\alpha t{T}_S}$$ шагом Ts секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом Ts секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени T_k, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов $$F_{jном}(\alpha )={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , j=1, …, k регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек $$F_j(\alpha )={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_j(t)\cdot e{}^{-\alpha \cdot t\cdot T_S}}$$ , j=1,…k, осуществляя операции, описанные ранее для заведомо исправной дискретной системы, применительно к контролируемой системе, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений, $$\Delta F_j(\alpha )=F_j(\alpha )-F_{jном}(\alpha ),$$ j=1, …, k, вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы по формуле:
$$\Delta {\widehat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F_j(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2}}(\alpha )}$$ , вычисляют диагностические признаки, по минимуму диагностического признака определяют дефектный блок дискретной системы.