СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ СМЕНЫ ПОЗИЦИИ ВХОДНОГО СИГНАЛА Российский патент 2014 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2439647 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2011100409/08; заявл. 11.01.2011; опубл. 10.01.2012. Бюл. №1).

Недостатком этого способа является то, что он использует вычисление знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2435189 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011. Бюл. №33).

Недостатком этого способа является то, что он использует задание величин относительных отклонений параметров передаточных функций для моделей с пробными отклонениями.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей с пробными отклонениями параметров или анализом знаков передач сигналов.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами ℮^-αt, где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал ℮^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек и каждой из m позиций входного сигнала, полученные в результате смены позиции входного сигнала после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают место подачи входного сигнала на выход каждого блока, подают через сумматор входной сигнал и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с различной (зафиксированной на выходах разных блоков) позицией входного сигнала Y_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α)=Y_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков из соотношения

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

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой 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 системы из соотношения

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

определяют диагностические признаки из соотношения

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

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≥T_ПП, где T_ПП - время переходного процесса 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 нормированные векторы ΔY_i(α) деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после i-го блока каждого из m блоков для номинальных значений параметров передаточных функций блоков и определенного выше параметра α, для чего выполняют пункты 6-10.

6. Подают входной 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_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи входного сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами ℮^-αt, где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал ℮^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на выход блока, подают через сумматор входной сигнал и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же входного сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала со входа на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α)=Y_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m.

10. Определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после соответствующих блоков по формуле $$\Delta {\widehat{Y}}_{ji}\left(\alpha \right)=\frac{\Delta Y_{ji}\left(\alpha \right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta Y_{ni}^2\left(\alpha \right)}}}$$ .

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

12. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

13. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k.

14. Вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле $$\Delta {\widehat{F}}_j\left(\alpha \right)=\frac{\Delta F_j\left(\alpha \right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta F_n^2\left(\alpha \right)}}}$$ .

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

16. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

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

Передаточные функции блоков:

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

номинальные значения параметров: T₁=5 с; k₁=1; k₂=1; T₂=1 с; k₃=1; T₃=5 с. При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметра α=0.5 и T_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе пробных отклонений параметров модели (прототип) при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.78; J₃=0.074. Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первом блоке, а разность между третьим и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта. Тот же дефект, найденный путем смены позиции входного сигнала и вычислений по формуле (3), дает следующие значения диагностических признаков: J₁=0; J₂=0.78; J₃=0.074. Анализ значений диагностических признаков показывает, что значения второго и третьего признака, полученные при использовании смены позиции входного сигнала, практически такие же, как и при использовании пробных отклонений. Это позволяет сделать вывод, что практическая различимость дефекта первого блока практически такая же, как и при использовании заявляемого способа. Различимости дефектов второго и третьего блоков при поиске их с использованием смены позиции входного сигнала тоже практически такие же, как и при использовании пробных отклонений параметров модели.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков:

при наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра T₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.7826; J₂=0; J₃=0.7459;

при наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра T₃ на 20%, дефект №3) J₁=0.0739; J₂=0.7438; J₃=0.

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

Изобретение относится к контролю и диагностике систем автоматического управления и их элементов. Техническим результатом является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией моделей с пробными отклонениями параметров или анализом знаков передач сигналов. Он достигается тем, что в дополнение к известному способу определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на позиции после каждого рассматриваемого блока, подают туда через сумматор входной сигнал x(t) и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков вычисляют диагностические признаки, по минимуму диагностического признака определяют дефектный блок. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе смены позиции входного сигнала, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля T_K≥T_ПП, где T_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения $$\alpha =\frac{5}{T_K}$$ , используют входной сигнал на интервале t∈[0, T_K], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1,…,k на интервале t∈[0, T_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1,…,k исправной системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами ℮^-αt, 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 ℮^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_K, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1,…,k регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный входной 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 ΔF_j(α)=F_j(α)-F_jном(α), j=1,…,k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения $$\Delta {\stackrel{⌢}{F}}_j\left(\alpha \right)=\frac{\Delta F_j\left(\alpha \right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta F_n^2\left(\alpha \right)}}}$$ , отличающийся тем, что определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате смены позиции входного сигнала на позицию после каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы перемещают позицию входного сигнала на позиции после каждого рассматриваемого блока, подают туда через сумматор входной сигнал x(t) и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и входного сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждой из m моделей с перемещенной позицией входного сигнала Y_ji(α), j=1,…,k; i=1,…,m регистрируют, определяют деформации интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков ΔY_ji(α)=Y_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1,…,k; i=1,…,m, определяют нормированные значения деформаций интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате перемещения позиции входного сигнала на позицию после каждого из соответствующих блоков из соотношения $$\Delta {\stackrel{⌢}{Y}}_{ji}\left(\alpha \right)=\frac{\Delta Y_{ji}\left(\alpha \right)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta Y_{ri}^2\left(\alpha \right)}}}$$ , вычисляют диагностические признаки из соотношения $$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k\Delta {\stackrel{⌢}{Y}}_{ji}\left(\alpha \right)\cdot \Delta {\stackrel{⌢}{F}}_j\left(\alpha \right)}\right]}^2$$ , i=1,…,m, по минимуму диагностического признака определяют дефектный блок.