СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНЫХ БЛОКОВ В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2014 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ поиска неисправных блоков в динамической системе (Патент на изобретение №2453898 от 20.06.2012 по заявке №2010148468, МКИ⁶ G05B 23/02, 2011).

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

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является 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).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение только одиночных структурных дефектов.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является расширение функциональных возможностей способа для нахождения одного или сразу нескольких неисправных блоков (кратных дефектов) в динамической системе с произвольным их соединением, а также улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов.

Поставленная задача достигается тем, что регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t)j=1, …,k на интервале t∈[0, Т_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, 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, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате пробных отклонений для m одиночных и кратных дефектов блоков, для чего поочередно в каждый блок или комбинацию нескольких блоков динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для n параметров α_l и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1, …, k, i=1, …, m; l=1, …, n регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений комбинаций параметров разных структурных блоков ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений для одиночных и кратных дефектов при n параметрах интегрирования из соотношения

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

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 и для n параметров интегрирования α_l F_j(α_l), j=1, …, k; l=l, …, n, 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

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

определяют диагностические признаки при n параметрах интегрирования из соотношения:

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

по минимуму значения диагностического признака определяют порядковый номер дефектного блока или комбинации дефектных блоков.

Пробное отклонение параметра блока или параметров блоков, минимизирующее значение диагностического признака (3), указывает на наличие дефекта в этом блоке или комбинации блоков. Область возможных значений диагностического признака лежит в интервале [0, 1].

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправных блоков сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических элементов, с количеством рассматриваемых одиночных и кратных дефектов блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля Т_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 α_l многократного интегрирования сигналов.

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений i-го номера каждого из m одиночных и кратных дефектов блоков и определенных выше параметров интегральных преобразований α_l, для чего выполняют пункты 6-10.

6. 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.

7. Регистрируют реакцию системы f_jном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, Т_К] 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 Т_К, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждого из n значений параметра интегрирования α_l, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m одиночных и кратных дефектов блоков, для чего поочередно для каждой комбинации параметров разных структурных блоков динамической системы вводят пробное отклонение этих параметров передаточной функции и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров одного или нескольких структурных блоков

ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1, …, k; i=1, …, m; l=1, …, n.

10. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров одного или нескольких блоков по формуле:

$$\Delta {\widehat{P}}_{ji}\left({\alpha }_l\right)=\frac{\Delta P_{ji}\left({\alpha }_l\right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta P_{ri}^2\left({\alpha }_l\right)}}}$$ , j=1, … ,k; i=1, …, m; l=1, …, n.

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

12. 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 пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. 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.

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

$$\Delta {\widehat{F}}_j\left({\alpha }_l\right)=\frac{\Delta F_j\left({\alpha }_l\right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2\left({\alpha }_l\right)}}}$$ , j=1, …, k; l=1, …, n.

15. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока или нескольких блоков (при n параметрах интегрирования) по формуле (3).

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок или дефектные блоки.

Поскольку диагностические признаки (3) имеют область возможных значений, ограниченную интервалом [0, 1], то разность между ближайшим к минимальному признаку и минимальным признаком (который указывает на дефектный блок или дефектные блоки) количественно характеризует различимость данного дефекта с учетом расположения отдельного блока или нескольких блоков на структурной схеме, вида и параметров передаточных функций отдельных блоков или комбинаций блоков и всех условий диагностирования, при которых получены эти значения диагностических признаков (вид тестового сигнала, количество и величины параметров α_l, количество и расположение контрольных точек, величина интервала Т_К). Наилучшая различимость дефектов обеспечивается тогда, когда указанная разность равна единице (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик отдельных блоков или комбинаций блоков для пробных отклонений ортогональны). Наихудшая различимость - когда указанная разность равна нулю (в терминах векторной интерпретации нормированные векторы деформаций интегральных преобразований динамических характеристик этих блоков для пробных отклонений коллинеарные).

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска кратного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на чертеже.

Передаточные функции блоков:

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

где номинальные значения параметров: T₁=5 с; K₁=1; К₂=1; Т₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с.

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

Выберем три параметра интегрирования, кратные $$\frac{5}{T_{к}}$$ : $${\alpha }_1=\frac{5}{T_{к}}=0.5$$ , $${\alpha }_2=\frac{1}{T_{к}}=0.1$$ , $${\alpha }_3=\frac{25}{T_{к}}=2.5$$ . Определим варианты (m=7) пробных отклонений в виде уменьшения коэффициентов усиления (k₁, …, k₃) каждого динамического блока и комбинаций блоков на 10%: k₁=0.9 (i=1); k₂=0.9 (i=2); k₃=0.9 (i=3); k₁=0.9 и k₂=0.9 (i=4); k₁=0.9 и k₃=0.9 (i=5); k₂=0.9 и k₃=0.9 (i=6); k₁=0.9, k₂=0.9 и k₃=0.9 (i=7). При поиске кратного дефекта в виде отклонения коэффициентов усиления на 20% k₁=0.8, k₂=0.8 и k₃=0.8 (кратный дефект №7) в первом, втором и третьем звене, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, используя пробные отклонения величиной 10%, получены значения диагностических признаков по формуле (3): J₁=0.6679; J₂=0.3224; J₃=0.5875; J₄=0.2845; J₅=0.4702; J₆=0.4991; J₇=0.0258. Различимость дефекта: ΔJ=J₄-J₇=0.2587. Анализ значений диагностических признаков показывает, что кратный дефект в первом, втором и третьем структурных блоках контролируемой системы находится правильно. Следует отметить, что способ работоспособен и при больших значениях величин пробных отклонений параметров (10-40%). Ограничением на величину пробного отклонения является необходимость сохранения устойчивости моделей с пробными отклонениями.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправных блоков при одном параметре интегрирования α=0.5 (Патент на изобретение №2453898 от 20.06.2012 по заявке №2010148468/08 (070039), МКИ⁶ G05В 23/02, 2011): J₁=0.9262; J₂=0.08897; J₃=0.8552; J₄=0.4849; J₅=0.398; J₆=0.7402; J₇=0.03559. Различимость дефекта ΔJ=J₂-J₇=0.05338.

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

Покажем, что данный способ работоспособен и для поиска одиночных структурных дефектов.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра k₃ на 20%, дефект №3): J₁=0.1107; J₂=0.7311; J₃=0; J₄=0.6868; J₅=0.2717; J₆=0.2708; J₇=0.5799. Различимость дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.1107.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5 (Патент на изобретение №2453898 от 20.06.2012 по заявке №2010148468/08(070039), МКИ⁶ G05В 23/02, 2011): J₁=0.07426; J₂=0.7469; J₃=0; J₄=0.8629; J₅=0.2574; J₆=0.5945; J₇=0.7014. Различимость дефекта ΔJ=J₁-J₃=0.07426.

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра k₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.7929; J₂=0; J₃=0.7305; J₄=0.5414; J₅=0.2265; J₆=0.7816; J₇=0.2582. Различимость дефекта ΔJ=J₅-J₂=0.2265.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5 (Патент на изобретение №2453898 от 20.06.2012 по заявке №2010148468/08(070039), МКИ⁶ G05В 23/02, 2011): J₁=0.7842; J₂=0; J₃=0.747; J₄=0.6549; J₅=0.2397; J₆=0.8593; J₇=0.05451. Различимость дефекта ΔJ=J₇-J₂=0.05451.

При наличии дефекта в блоке №1 (в виде уменьшения параметра k₁ на 20%, дефект №1): J₁=0; J₂=0.7913; J₃=0.1107; J₄=0.6853; J₅=0.3798; J₆=0.3987; J₇=0.6721. Различимость дефекта Δ=J₃-J₇=0.1107.

Для сравнения приведем диагностические признаки наличия неисправного блока при одном параметре интегрирования α=0.5 (Патент на изобретение №2453898 от 20.06.2012 по заявке №2010148468/08(070039), МКИ⁶ G05В 23/02, 2011): J₁=0; J₂=0.7841; J₃=0.07425; J₄=0.8032; J₅=0.3313; J₆=0.8379; J₇=0.8003. Различимость дефекта ΔJ=J₃-J₁=0.07425.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектные блоки.

Областью применения является область контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа для нахождения одного или сразу нескольких неисправных блоков (кратных дефектов) в динамической системе с произвольным их соединением, а также улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем улучшения различимости дефектов. Для достижения результата 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, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из контрольных точек и параметров интегрирования, полученные в результате пробных отклонений для одиночных и кратных дефектов блоков, для чего поочередно в каждый блок или комбинацию нескольких блоков динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметров и тестового сигнала, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из контрольных точек, каждого из пробных отклонений и каждого из параметров интегрирования регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений комбинаций параметров разных структурных блоков, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений для одиночных и кратных дефектов при параметрах интегрирования, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой системы, 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 или комбинации дефектных блоков. 1 ил.

Способ поиска неисправных блоков в непрерывной динамической системе, основанный на том, что фиксируют число динамических элементов, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, используют тестовый сигнал на интервале t∈[0, T_К], определяют n параметров интегрирования сигналов кратные $$\frac{5}{T_K}$$ , в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки, полученные для n вещественных значений α_l, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_jном(t), j=1,…,k на интервале t∈[0, Т_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α_l), 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 $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , l=1,…,n, путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальные сигналы $$e^{-{\alpha }_{l}t}$$ , 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(α_l), j=1,…,k; l=1,…,n регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек и n параметров интегрирования, полученные в результате m пробных отклонений параметров, для чего поочередно для каждой модели с пробными отклонениями вводят пробное отклонение параметра ее передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов модели для n параметров α_l и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек, каждого из m пробных отклонений и каждого из n параметров интегрирования P_ji(α_l), j=1,…,k; i=1,…,m; l=1,…,n регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров ΔP_ji(α_l)=P_ji(α_l)-F_jном(α_l), j=1,…,k; i=1,…,m; l=1,…,n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров из соотношения $$\Delta {\widehat{P}}_{ji}\left({\alpha }_l\right)=\frac{\Delta P_{ji}\left({\alpha }_l\right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta P_{ri}^2\left({\alpha }_l\right)}}}$$ , определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования F_j(α_l), 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(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 из соотношения:
$$\Delta \widehat{F_j}\left({\alpha }_l\right)=\frac{\Delta F_j\left({\alpha }_l\right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2\left({\alpha }_l\right)}}}$$ ,
определяют диагностические признаки из соотношения:
$$J_i=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{l=1}^n\left\{1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k\Delta \widehat{P_{ji}}}\left({\alpha }_l\right)\cdot \Delta {\hat{F}}_j\left({\alpha }_l\right)\right]}^2\right\}}$$ , i=1,…,m, по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что фиксируют число m пробных отклонений как общее количество рассматриваемых одиночных и кратных дефектов блоков, пробные отклонения вводят поочередно в параметры каждого блока для одиночных дефектов или в параметры комбинации блоков для кратных дефектов, по минимуму диагностического признака определяют наличие одиночного либо кратного дефекта.