СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В НЕПРЕРЫВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2015 года по МПК G05B23/02 

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

Известен способ диагностирования динамических звеньев систем управления (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^-αlt , где α_l - вещественная константа, l - количество констант.

Недостатком этого способа является то, что он использует большое число контрольных точек и многократное вычисление интегральных оценок сигналов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (патент на изобретение №2435189 от 27.11.2011 по заявке №2009123999/08(033242), МКИ⁶ G05B 23/02, 2011).

Недостатком этого способа является то, что он использует большое число контрольных точек для измерения сигналов на выходах блоков.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение аппаратных и вычислительных затрат, связанных с уменьшением числа измеряемых сигналов объекта диагностирования.

Поставленная задача достигается тем, что в качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых одиночных дефектов блоков m, фиксируют глубину поиска неисправности до динамического блока системы, определяют число групп динамических блоков N=2 так, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы (например - группа 1 и группа 2 на фиг.1), назначают две контрольные точки для измерения выходных сигналов каждой группы, создают модели с пробными отклонениями для двух контрольных точек, для чего вводят пробное отклонение параметров в один из блоков каждой группы, предварительно определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , предварительно определяют нормированные векторы $$\Delta {\hat{P}}_i(\alpha )$$ отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений для дефекта i-го блока по одному из каждой группы и определенного выше параметра интегрального преобразования α, для чего 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, регистрируют реакцию системы f_{j ном}(t), j=1, 2, на интервале t∈[0,T_К] в двух контрольных точках двух групп динамических блоков и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, 2, системы, для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из двух контрольных точек с весами e^-αt, где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , для чего сигналы системы управления подают на первые входы двух блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы двух блоков перемножения подают на входы двух блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени T_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, 2, регистрируют, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из двух контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений одного из одиночных дефектов блоков каждой из двух групп, для чего поочередно для каждого параметра блоков разных групп динамической системы вводят пробное отклонение этих параметров передаточной функции, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из двух контрольных точек и каждого из двух пробных отклонений P_ji(α), j=1, 2; i=1, 2, регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков одной из групп ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, 2; i=1, 2, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков одной из групп по формуле: $$\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )=\frac{\Delta P_{ji}(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^2\Delta P_{ri}^2(\alpha )}}}$$ , замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для двух контрольных точек F_j(α), j=1, 2, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для двух контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, 2, вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы по формуле: $$\Delta {\hat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F_j(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^2\Delta F_r^2(\alpha )}}}$$ , вычисляют диагностические признаки наличия неисправной группы структурных блоков по формуле: $$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^2\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )\cdot \Delta {\hat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2$$ , i=1, 2, по минимуму значения диагностического признака находят дефектную группу, дефектную группу разбивают на две подгруппы путем назначения контрольной точки на выходе одного из динамических блоков дефектной группы так, чтобы каждая новая подгруппа содержала только один вход и один выход, контрольную точку на выходе группы блоков, не содержащих неисправность, удаляют, операции назначения контрольных точек внутри дефектной подгруппы повторяют до тех пор, пока диагностический признак наличия дефекта не укажет на отдельный динамический элемент, по минимуму диагностического признака считают неисправным данный динамический элемент.

Уменьшение вычислительных затрат на диагностирование достигается путем снижения числа используемых контрольных точек и вычисляемых диагностических признаков.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

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 одиночных дефектов блоков m. Фиксируют глубину поиска неисправности до динамического блока системы.

2. Определяют число групп динамических блоков N=2 так, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы (группа 1 и группа 2 на фиг.1).

3. Назначают две контрольные точки для измерения выходных сигналов каждой группы.

4. Предварительно определяют время контроля T_К≥T_ПП, где T_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

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

6. Создают модели с пробными отклонениями для двух контрольных точек, для чего вводят пробное отклонение параметров в один из блоков каждой группы.

7. Предварительно определяют нормированные векторы $$\Delta {\hat{P}}_i(\alpha )$$ отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений для i-го дефекта одного из блоков каждой из двух групп и определенного выше параметра интегрального преобразования α, для чего выполняют пункты 8-12.

8. 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.

9. Регистрируют реакцию системы f_{j ном}(t), j=1, 2, на интервале t∈[0,T_К] в двух контрольных точках двух групп и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, 2, системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из двух контрольных точек с весами e^-αt, где $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , для чего сигналы системы управления подают на первые входы двух блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы двух блоков перемножения подают на входы двух блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, 2, регистрируют.

10. Определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из двух контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений одного из одиночных дефектов блоков каждой из двух групп, для чего поочередно для одного параметра одного из блоков разных групп динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и выполняют пункты 8 и 9 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из двух контрольных точек и каждого из двух пробных отклонений P_ji(α), j=1, 2; i=1, 2, регистрируют.

11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков каждой из групп ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, 2; i=1, 2.

12. Определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков каждой из групп по формуле:

$$\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )=\frac{\Delta P_{ji}(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^2\Delta P_{ri}^2(\alpha )}}}$$ .

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

14. Определяют интегральные оценки сигналов контролируемой системы для двух контрольных точек F_j(α), j=1, 2, осуществляя операции, описанные в пункте 9 применительно к контролируемой системе.

15. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой системы для двух контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, 2.

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

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

17. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправной группы блоков по формуле:

$$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^2\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )\cdot \Delta {\hat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2$$ , i=1, 2.

18. По минимуму значения диагностического признака находят дефектную группу.

19. Дефектную группу разбивают на две подгруппы путем назначения контрольной точки на выходе одного из динамических блоков дефектной группы, так, чтобы каждая новая подгруппа содержала только один вход и один выход. Контрольную точку на выходе группы блоков, не содержащих неисправность, удаляют.

20. Повторяют пункты 6-19 до тех пор, пока дефектная подгруппа не будет содержать только один блок, который принимается неисправным.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска одиночного дефекта для системы, структурная схема которой представлена на фиг.2.

Передаточные функции блоков:

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

номинальные значения параметров: T₁=5 с; К₁=1; К₂=1; Т₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с. При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4 с в блоке 1, путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегрального преобразования сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения диагностических признаков по формуле: $$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^2\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )\cdot \Delta {\hat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2$$ , i=1, 2, при использовании двух контрольных точек, расположенных на выходах блоков 2 и 3 (фиг.1): J₁=0; J₂=0.2219. Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первой группе, а разность между этими признаками может количественно характеризовать фактическую различимость этого дефекта. Разобьем дефектную группу на две подгруппы, назначив дополнительную контрольную точку на выходе блока 1 и вычислим значения диагностических признаков двух подгрупп: J₁=0; J₂=0.7556. Анализ значений диагностических признаков показывает, что значения первого и второго признака, полученные при использовании второго этапа алгоритма, указывают на дефект в блоке 1 системы. Дефекты блоков 2 и 3 при поиске их с использованием данного алгоритма также находятся не хуже.

Моделирование процессов поиска дефектов в блоке 2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%) для данного объекта диагностирования приводит к вычислению диагностических признаков на первом этапе для двух групп блоков, определенных выше: J₁=0, J₂=0.222. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.222.

Вычисление диагностических признаков на втором этапе для двух подгрупп первой группы: J₁=0.7541, J₂=0. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.7541.

Моделирование процессов поиска дефектов в блоке 3 (в виде уменьшения параметра T₃ на 20%) для данного объекта диагностирования приводит к вычислению диагностических признаков на первом этапе: J₁=0.221, J₂=0. Дефект определен за один этап. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.221.

Вычисление диагностических признаков на втором этапе не производится, так как вторая группа состоит только из одного блока 3.

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

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Технический результат заключается в уменьшении аппаратных и вычислительных затрат, связанных с уменьшением числа измеряемых сигналов объекта диагностирования. Он достигается тем, что предложен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе, в котором в отличие от прототипа определяют число групп динамических блоков N=2 так, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы, назначают две контрольные точки для измерения выходных сигналов каждой группы, создают модели с пробными отклонениями для двух контрольных точек, для чего вводят пробное отклонение параметров в один из блоков каждой группы, вычисляют диагностические признаки наличия неисправной группы блоков, по минимуму значения диагностического признака определяют дефектную группу блоков, дефектную группу разбивают на две подгруппы путем назначения контрольной точки на выходе одного из динамических блоков дефектной группы так, чтобы каждая новая подгруппа содержала только один вход и один выход, контрольную точку на выходе группы блоков, не содержащих неисправность, удаляют, фиксируют контрольные точки на выходах подгрупп блоков, определяют модели с пробными отклонениями для каждой подгруппы, вычисляют диагностические признаки для каждой подгруппы блоков, определяют дефектную подгруппу блоков по минимуму диагностического признака, операции разбиения дефектной подгруппы блоков и определения пробных отклонений продолжают до тех пор, пока дефектная подгруппа не будет содержать только один блок, который принимается за неисправный. 2 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе, основанный на том, что фиксируют число динамических блоков, 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 $$\alpha =\frac{5}{T_{к}}$$ , фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и модели, регистрируют реакцию заведомо исправной системы f_{j ном}(t), j=1, 2, …, k на интервале t∈[0,T_К] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1,…,k 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^-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 e^-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 различных пробных отклонений m, определяют интегральные оценки сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого пробного отклонения P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков из соотношения
$$\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )=\frac{\Delta P_{ji}(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta P_{ni}^2(\alpha )}}}$$ ,
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 ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения
$$\Delta {\hat{F}}_j(\alpha )=\frac{\Delta F_j(\alpha )}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{n=1}^k\Delta F_n^2(\alpha )}}}$$ ,
определяют диагностические признаки из соотношения
$$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )\cdot \Delta {\hat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2$$ , i=1, …, m
по минимуму диагностического признака определяют дефект, отличающийся тем, что определяют число групп динамических блоков N=2 так, что каждая группа имеет один входной и один выходной сигналы, назначают две контрольные точки для измерения выходных сигналов каждой группы, создают модели с пробными отклонениями для двух контрольных точек, для чего вводят пробное отклонение параметров в один из блоков каждой группы, вычисляют диагностические признаки наличия неисправной группы блоков по формуле
$$J_i=1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^2\Delta {\hat{P}}_{ji}(\alpha )\cdot \Delta {\hat{F}}_j(\alpha )}\right]}^2$$ , i=1, 2,
по минимуму значения диагностического признака определяют дефектную группу блоков, дефектную группу разбивают на две подгруппы путем назначения контрольной точки на выходе одного из динамических блоков дефектной группы так, чтобы каждая новая подгруппа содержала только один вход и один выход, контрольную точку на выходе группы блоков, не содержащих неисправность, удаляют, фиксируют контрольные точки на выходах подгрупп блоков, определяют модели с пробными отклонениями для каждой подгруппы, вычисляют диагностические признаки для каждой подгруппы блоков, определяют дефектную подгруппу блоков по минимуму диагностического признака, операции разбиения дефектной подгруппы блоков и определения пробных отклонений продолжают до тех пор, пока дефектная подгруппа не будет содержать только один блок, который принимается за неисправный.