СПОСОБ ПОИСКА НЕИСПРАВНОГО БЛОКА В ДИСКРЕТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ЗНАКОВ ПЕРЕДАЧ СИГНАЛОВ Российский патент 2015 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 (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: пат. 2486570 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2012120736/08; заявл. 18.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, так как не использует многократного интегрирования сигналов.

Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2486568 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.С. - №2012120458/08; заявл. 17.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).

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

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе: пат. 2486569 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Воронин В.В., Шалобанов С.С. - №2012120459/08; заявл. 17.05.2012; опубл. 27.06.2013, бюл. №18).

Недостатком этого способа являются большие вычислительные затраты, так как он использует несколько моделей с пробными отклонениями параметров передаточных функций блоков.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является уменьшение вычислительных затрат, связанных с реализацией пробных отклонений параметров модели для поиска дефектов в дискретной динамической системе с использованием многократного интегрирования для повышения различимости дефектов.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы f_{j ном}(t), j=1, …, k для N дискретных тактов регистрации сигнала t∈[1,N] с дискретным постоянным шагом T_s на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов

дискретной системы для n значений параметра дискретного интегрирования α_l, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом T_s секунд для n параметров интегрирования в каждой из k контрольных точек с весами с шагом T_s секунд, путем подачи на первые входы k·n блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретные экспоненциальные сигналы с шагом T_s секунд для n блоков дискретного интегрирования, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков дискретного интегрирования с шагом T_S секунд, интегрирование завершают в момент времени T_K, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; i=1, …, n регистрируют, фиксируют число m рассматриваемых одиночных дефектов блоков, определяют элементы знаков передач сигналов 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. Элементы знаков передач сигналов P_ji используют в заявляемом способе вместо изменений интегральных оценок сигналов модели для всех контрольных точек, полученных для пробных отклонений параметров блоков. Затем определяют нормированные значения вектора знаков передач сигналов для каждого блока из соотношения

,

замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для к контрольных точек и для n параметров дискретного интегрирования α_l: F_j(α_l), j=1, …, k; i=1, …, n, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек и n параметров дискретного интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1, …, k=1, …, n, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для n параметров дискретного интегрирования из соотношения

,

определяют диагностические признаки при n параметрах дискретного интегрирования из соотношения

,

по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

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 T_s, состоящую из произвольно соединенных динамических блоков, с количеством рассматриваемых одиночных дефектов блоков m.

2. Предварительно определяют время контроля T_K≥T_ПП, где T_ПП - время переходного процесса дискретной 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 знаков передач сигналов 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.

6. Определяют нормированные значения элементов вектора знаков передач сигналов для каждого блока из соотношения

.

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 T_s секунд на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках и определяют дискретные интегральные оценки выходных сигналов

дискретной системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом T_s секунд в каждой из k контрольных точек и n параметрах α_l с дискретными весами , для чего сигналы системы управления подают на первые входы k·n блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают дискретные экспоненциальные сигналы с шагом T_s секунд, выходные сигналы k·n блоков перемножения подают на входы k·n блоков дискретного интегрирования с шагом T_s секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени T_K, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n 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 и n параметров интегрирования

,

осуществляя операции, описанные в пунктах 7 и 8 применительно к контролируемой системе.

11. Определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек и n параметров интегрирования от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α₁), j=1, …, k; l=1, …, n.

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

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

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. фиг. Структурная схема объекта диагностирования).

Дискретные передаточные функции блоков:

; ; ,

номинальные значения параметров: k₁=5; Z₁=0.98; k₂=0.09516; Q₂=0.9048; k₃=0.0198; Q₃=0.9802.

Определим элементы матрицы знаков передач сигналов. 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/ Вектор знаков передач сигналов 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 знаков передач сигналов для второго блока будет иметь вид: P₂=(-1, 1, 1). Для третьего блока вектор знаков передач сигналов 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 параметров α₁=0.5, α₂=0.1, α₃=2.5 и T_K=10 с, при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков, получены значения диагностических признаков: J₁=0.2053; J₂=0.9719; J₃=0.5629. Разность между третьим и первым диагностическим признаком может характеризовать апостериорную (практическую) различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₁=0.3576.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором блоке (в виде уменьшения параметра k₂ на 20%) приводит к значениям диагностических признаков при тех же параметрах диагностирования: J₁=0.9277; J₂=0.3377; J₃=0.8682. Различимость дефекта: ΔJ=J₃-J₂=0.5305.

Моделирование процессов поиска дефектов в третьем блоке (в виде уменьшения параметра k₃ на 20%) приводит к значениям диагностических признаков при тех же параметрах диагностирования: J₁=0.4715; J₂=0.9396; J₃=0.2686. ΔJ=J₁-J₃=0.2029.

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

Изобретение относится к контролю и диагностированию систем автоматического управления и их элементов. Технический результат - поиск неисправностей. Предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы для дискретных тактов регистрации сигнала с дискретным постоянным шагом на интервале наблюдения в контрольных точках, и многократно определяют (одновременно) интегральные оценки выходных сигналов дискретной системы для значений параметра дискретного интегрирования, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход дискретной системы с номинальными характеристиками одновременно начинают дискретное интегрирование сигналов системы управления с шагом для параметров интегрирования в каждой из контрольных точек с весами с шагом, путем подачи на первые входы блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретные экспоненциальные сигналы с шагом для блоков дискретного интегрирования, выходные сигналы блоков перемножения подают на входы блоков дискретного интегрирования с шагом, интегрирование завершают в момент времени, полученные в результате дискретного интегрирования оценки выходных сигналов регистрируют, фиксируют число рассматриваемых одиночных дефектов блоков. Определяют элементы знаков передач сигналов каждого блока, входящего в состав системы для каждой контрольной точки. Элементы знаков передач сигналов используют в заявляемом способе вместо изменений интегральных оценок сигналов модели для всех контрольных точек, полученные для пробных отклонений параметров блоков. Затем определяют нормированные значения вектора знаков передач сигналов 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 и для параметров дискретного интегрирования, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для контрольных точек и параметров дискретного интегрирования от номинальных значений, определяют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для параметров дискретного интегрирования, определяют диагностические признаки при параметрах дискретного интегрирования, по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в дискретной динамической системе на основе анализа знаков передач сигналов, основанный на том, что фиксируют число m блоков, входящих в состав системы, определяют время контроля T_K≥T_ПП, 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, полученные для вещественных значений переменных α_l, фиксируют число k контрольных точек системы, предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной дискретной во времени системы f_{j ном}(t), j=1, …, k для N дискретных тактов диагностирования t∈[1,N] с дискретным постоянным шагом T_s на интервале наблюдения [0,T_k] (где T_k=T_s·N) в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α_l), j=1 …, k; l=1, …, n 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 T_s секунд в каждой из k контрольных точек с дискретными весами $$e^{-{\alpha }_{l}t{T}_S}$$ с шагом T_s секунд, где $${\alpha }_l=n\cdot \frac{5}{T_K},$$ путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают дискретный экспоненциальный сигнал $$e^{-{\alpha }_{l}t{T}_S}$$ с шагом T_s секунд, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков дискретного интегрирования с шагом T_s секунд, дискретное интегрирование завершают в момент времени T_K, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов $$F_{jном}\left({\alpha }_l\right)={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-{\alpha }_l\cdot t\cdot T_S}}$$ , j=1, …, k; l=1, …, n регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал, определяют интегральные оценки сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек $$F_j({\alpha }_l)={\displaystyle \sum _{t=1}^N{f}_{jном}(t)\cdot e^{-{\alpha }_l\cdot t\cdot T_S}}$$ , j=1, …, k; l=1, …, n, осуществляя операции, описанные ранее применительно к контролируемой системе, определяют отклонения интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α_l)=F_j(α_l)-F_{j ном}(α_l), j=1, …, k; l=1, …, n, вычисляют нормированные значения отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой дискретной системы по формуле $$\Delta {\widehat{F}}_j({\alpha }_l)=\frac{\Delta F_j({\alpha }_l)}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{r=1}^k\Delta F_r^2({\alpha }_l)}}}$$ , j=1, …, k; l=1, …, n, отличающийся тем, что определяют знаки передач сигналов 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, определяют нормированные значения элементов векторов знаков передач сигналов 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 $$J_i=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{l=1}^n\left\{1-{\left[{\displaystyle \sum _{j=1}^k{\widehat{P}}_{ji}\cdot \Delta {\widehat{F}}_j({\alpha }_l)}\right]}^2\right\}}$$ , i=1, …, m, по минимуму диагностического признака определяют дефектный блок.